一、計算機是如何從基礎層面建構起來

1. 任何我們寫的 code，最終都需要在電路上執行，才能發揮實際作用。而電路級別的編程非常受限，因為每個基本元件的行為必須被預先定義，無法靈活地處理不同的操作需求。
2. 程式語言讓我們能使用抽象的語言來解決問題，而不是直接處理電路層級的細節。透過創建一個通用的電路（CPU），它可以執行一系列儲存為二進制數據的指令，程式語言讓這些指令更容易編寫和管理。

二、CPU、ISA、Assembly Language

1. 設計 CPU 時需要決定 Instruction Set：
   • 由於 CPU 建成後不會再更改，因此在設計 CPU 時，必須決定 CPU 支援的 Instruction Set。
   • 這些指令需要能被翻譯成二進制格式以供 CPU 執行。
2. ISA, Instruction Set Architectures（指令集架構）：
   • 不同的 CPU 實現不同的 ISA。
   • ISA 定義了 CPU 可以執行哪些操作，以及這些操作如何用二進制形式表達。
3. Assembly Language：
   • 定義指令集的程式語言被稱為組合語言，組合語言直接與硬體溝通，讓程式開發者能用接近 CPU 的語言編寫程式。
   • 常見的組合語言包括：ARM（行動設備使用）、Intel x86（如 Core i9, i7, i5, i3）、IBM/Motorola PowerPC（老款 Mac 使用）、MIPS、LoongArch、RISC-V 等。

三、ISA 和 RISC

1. 早期的 ISA 設計趨勢：
   • 早期的 ISA 設計趨勢是為了增加 CPU 的指令數量，讓 CPU 可以執行更複雜的操作。
   • 例如，VAX 架構就有一個用於多項式相乘的指令，展示了早期 ISA 的複雜性。
2. RISC 的理念：
   • RISC 的核心思想是保持指令集小且簡單。
   • 複雜的操作應該交由軟體來組合簡單的指令來完成，而不是由硬體直接支持複雜的指令。
   • 簡單的 CPU 更容易進行改進（有助於更快速的開發），而且通常比複雜的 CPU 更快，因為我們經常受限於我們所實現的最慢的指令。
   • 與 x86 相比，RISC-V 更加簡單。x86 是 CISC 架構，使用 Huffman 編碼來壓縮指令，而 RISC-V 的指令更加直觀和統一。

四、RISC-V 系統的整體架構及其運作方式

1. RISC-V 系統的兩個主要部分：
   • CPU：負責執行計算。
   • 主記憶體：負責長期數據存儲。
2. CPU 可以通過 registers 儲存少量的數據。registers 是 CPU 內部的高速存儲單元，用於快速存取和操作數據。

五、CPU

1. 處理器的主要組件：
   • 控制單元（Control）：管理和協調處理器的操作，包括從記憶體獲取指令、解碼和執行。
   • 數據通路（Datapath）：包含 registers、PC（程式計數器）、ALU 等，用於執行實際的數據處理和計算操作。
2. registers 的位置：
   • registers 位於處理器內部的數據通路（Datapath）部分。
3. Memory：
   • 記憶體儲存 Program 和 Data。
   • 處理器透過地址總線和數據總線與記憶體進行讀寫操作。
4. I/O-Memory Interfaces：
   • 負責處理器與外部設備（如輸入設備和輸出設備）之間的數據交換。

六、registers

1. registers 的功能：
   • registers 是 CPU 中的硬體元件，專門用來儲存少量數據。
   • 每個 registers 在 32 位系統中儲存 32 位元的數據，在 64 位系統中儲存 64 位元的數據。
   • 本學習文章集中於 RV32，使用 32 位元的 registers。
2. 硬體限制：
   • registers 是硬體元件，一旦設計完成，就無法變更 registers 的數量。
   • 在 RISC-V 架構中，有 32 個整數 registers 可供使用。
3. registers 的編號：
   • registers 從 0 到 31 編號，即 x0 到 x31。
   • 每個 registers 的功能由編號決定，並遵循特定使用慣例。
4. 特殊的 x0 registers：
   • x0 是一個特殊 registers，總是儲存值 0，寫入 x0 的任何操作都會被忽略。
   • 因此，真正可用於數據存儲的 registers 有 31 個（x1 到 x31）。
5. 其他 registers 的行為：
   • 除 x0 之外的 31 個暫存器在行為上是相同的，主要區別在於使用上的慣例。
   • 未來將對每個 registers 命名，以提示其在不同應用中的使用規則。

七、RISC-V 指令的基本格式

1. 指令格式：
   • 每一行 RISC-V 代碼代表一條簡單指令，執行在暫存器上的操作。
   • 指令格式為：<指令名稱> <目的暫存器> <操作數>
   • 例如，add x5, x6, x7 表示將 x6 和 x7 中的值相加，結果儲存在 x5 中。
   • 操作數之間可以加逗號分隔，如 add x5, x6, x7，但這並非必須。
2. 註解：
   • 註解用 # 開頭，# 後面的內容會被忽略，類似於 Python 的註解語法。
   • 註解在 RISC-V 編程中特別重要，因為它們能幫助理解和排除錯誤。
   • 在高級語言中，變量名稱可以幫助代碼自我說明。但在 RISC-V 中，沒有變量名稱，只有暫存器編號。
   • 因此，如果不添加註解，RISC-V 代碼幾乎無法進行正確的調試和理解。

八、Addition and Subtraction of Integers

介紹了 RISC-V 中整數的加法和減法指令，並將其與 C 語言中的運算做比較：

1. 整數加法（Addition）：
   • RISC-V 指令格式：add x1, x2, x3
     • 這條指令表示將暫存器 x2 和 x3 中的值相加，結果存入 x1 中。
   • 對應的 C 語言表達：a = b + c
     • 其中，a 對應 x1，b 對應 x2，c 對應 x3。
2. 整數減法（Subtraction）：
   • RISC-V 指令格式：sub x3, x4, x5
     • 這條指令表示將暫存器 x4 中的值減去 x5 中的值，結果存入 x3 中。
   • 對應的 C 語言表達：d = e - f
     • 其中，d 對應 x3，e 對應 x4，f 對應 x5。
3. C 語言的轉換:
   • 如果有 C 語言的表達式 a = b + c + d - e;，需要將其分解為多個 RISC-V 指令來實現：

     add x10, x1, x2  # 將 b + c 存入 x10
     add x10, x10, x3 # 將之前的結果加上 d
     sub x10, x10, x4 # 最後將結果減去 e
     

   • 每條指令的註解會用 # 符號，註解部分用於說明該指令的作用。
4. 使用臨時暫存器:
   • 在一些複雜的計算中，例如 (g + h) - (i + j)，會使用臨時暫存器來保存中間結果：

     add x5, x20, x21  # g + h 存入 x5
     add x6, x22, x23  # i + j 存入 x6
     sub x19, x5, x6   # (g + h) - (i + j) 存入 x19
     

   • 使用暫存器時要注意不要覆蓋重要的數據，因此通常會保留一些暫存器專門用於中間計算。
5. RISC-V 指令特性:
   • RISC-V 指令操作簡單且一致，每一條指令都執行一個基本的操作。
   • RISC-V 沒有變數名稱的概念，因此注釋 (comments) 變得尤為重要，方便後續調試和理解程式碼。
   • RISC-V 中的程式碼若沒有加註解，很難進行調試，因此在寫程式碼時務必加上註解。

九、Pseudo-instructions

1. Pseudo-instructions 的目的：
   • 在 ISA 中，每個指令都需要一些電路來支持。因此，我們希望盡可能減少 ISA 中的指令數量，以簡化硬件設計。
2. Pseudo-instructions 的使用：
   • 有些指令常用，可以通過其他指令組合來實現。為了簡化編程，這些指令被設計為偽指令，即快捷的表示方式。
   • 偽指令由編譯器（assembler）在早期階段轉換成常規的指令。
3. Pseudo-instructions 範例：
   • Pseudo-instructions mv x5, x6 表示將 x6 的值設置到 x5 中。
   • 對應的正常指令為 add x5, x6, x0，這條指令將 x6 的值與 x0（恆為 0）相加，並存入 x5。

十、 RISC-V 中的 Immediates（立即數）

介紹了 RISC-V 中的 Immediates 的概念和使用方法：

1. Immediates 數字常數：
   • 是直接在指令中使用的數字常數，經常出現在程式碼中，因此有專門的指令來處理這些常數。
2. Add Immediate (加法)：
   • 語法範例：addi x3, x4, 10 （在 RISC-V 中）
   • 等效於 C 語言中的：f = g + 10
   • 這裡的 RISC-V 暫存器 x3 和 x4 對應到 C 中的變數 f 和 g。
   • 語法與加法指令類似，但最後一個參數是一個數字而非暫存器。
3. 沒有減法立即數指令的原因
   • RISC-V 沒有 Subtract Immediate 指令的原因：
     • RISC-V 提供了加法和減法指令，但沒有減法立即數指令（subi）。
     • 這是因為 RISC-V 希望將操作類型的數量控制到最低，任何可以簡化為更基本操作的指令都不會包括在內。
4. 操作的簡化：
   • 例如：addi ..., -X 等效於 subi ..., X，所以不需要額外的 subi 指令。
   • 範例：addi x3, x4, -10 （在 RISC-V 中）
   • 等效於 C 語言中的：f = g - 10
   • 這裡的 RISC-V 暫存器 x3 和 x4 仍然對應到 C 中的變數 f 和 g。

十一、 RISC-V 中的 Register Zero (x0)

1. 特殊的 Immediates：0：
   • 在程式碼中，數字 0 是非常常見的 Immediates。因此，RISC-V 將 register x0 硬體化為固定值 0。
2. x0 register 的硬體定義：
   • register x0 永遠是 0，因此任何寫入 x0 的操作都會被忽略。
   • 例如，指令 add x3, x4, x0 將 x4 的值加上 0 並存入 x3，這等效於 C 語言中的 f = g，其中 f 對應於 x3，g 對應於 x4。
3. 特性：
   • 因為 x0 硬體上固定為 0，像 add x0, x3, x4 這樣的指令將不會執行任何有效操作，因為結果永遠是寫入 x0，而 x0 不會改變。