一、RISC-V Data Transfer

1. Data Transfer

• 涉及將數據從記憶體 load 到 registers，或將 registers 中的數據 store 回記憶體中。
• registers：是非常快速的小型儲存空間，位於 CPU 內部，每次只能存取少量的數據，但速度極快。其存取速度通常在0.25納秒以內。

2. RISC-V 的指令概述：

• 在RISC-V中，可以使用各種指令來完成 Data Transfer 和運算操作：
  • add rd, rs1, rs2：將來自 rs1 和 rs2 兩個 registers 的值相加，結果存入 rd registers 中。
  • sub rd, rs1, rs2：將 rs1 registers 中的值減去 rs2 中的值，結果存入 rd。
  • addi rd, rs1, imm：將 rs1 中的值與立即數 imm 相加，結果存入 rd 中。
  • lw rd, offset(rs1)：從記憶體中載入資料，偏移量由 offset 指定，將結果存入 rd。
  • sw rs2, offset(rs1)：將 rs2 中的數據存到 rs1 指定的記憶體位址，偏移量由 offset 指定。

二、RISC-V Data Transfer的運作流程：

1. 從記憶體載入資料到 registers

• lw (Load Word) 指令：用來從記憶體載入 32 位元的資料（1 字 = 4 個位元組）到 registers 中。
  範例：

  lw x10, 12(x15)  # 從 x15 指定的記憶體位址加上 12 的偏移量，載入資料到 x10。
  

  • 這裡的 x15 是基址 registers，記憶體位址為 x15 中儲存的地址加上偏移量 12。
  • 偏移量 是指與基址相加的數值，單位為位元組。

2. 將 registers 的資料存到記憶體

• sw (Store Word) 指令：用來將 32 位元的資料從 registers 存到記憶體。
  範例：

  sw x10, 40(x15)  # 將 x10 中的資料存到 x15 基址加 40 的記憶體位址。
  

  • 這裡的 x15 是基址寄存器，偏移量是 40 位元組。

3. 位元組資料載入與存儲

• lb (Load Byte) 和 sb (Store Byte) 指令用來處理單一位元組的載入和存儲。
  lb 會將記憶體中的一個位元組載入到 registers 中，並進行符號擴展，而 lbu 則會將載入的位元組進行無符號擴展。

三、記憶體位址與大小端序

1. 記憶體位址是以 Bytes 為單位

• 位元組 (Byte)：每個位元組是 8 位元（bit）。在 RISC-V 中，資料的最小單位是位元組。
• 字 (Word)：在 32 位元架構中，1 個字 = 4 個位元組，因此每 4 個位元組就會有一個位址。
• 記憶體位址實際上是以位元組為單位的，而不是以字為單位。也就是說，如果你要存取一個字，它的位址間隔是 4 個位元組。
• 指標 (Pointer) 是一個記憶體位址，我們可以對其進行加減以找到正確的記憶體位址進行訪問。

2. Big Endian (大端序) vs Little Endian (小)

• 描述了數據在記憶體中的儲存順序：
  • Big Endian：高位元組儲存在低位址。例如 1025 的數值在大端序中，高位的 1 會被放在低位址處。
  • Little Endian：低位元組儲存在低位址。是 RISC-V 的預設模式，即低位元組放在低位址。即，數值的低位元組會先被儲存。

四、資料存取速度與記憶體層次

1. registers 與記憶體的速度比較

• registers：容量非常有限，但存取速度極快，通常只有 128 Bytes。速度最快，但容量非常小。
• DRAM 記憶體：容量非常大（數 GB 到數十 GB），但存取速度遠低於 registers。大約慢 50 到 500 倍。速度較慢，但價格便宜，容量相對較大。
• 這是因為物理規律告訴我們「越小的東西越快」，registers 由於體積小且直接位於 CPU 內，因此非常快速。
• Jim Gray：存取暫存器只需 1 納秒，這像是從頭部拿取資料，而存取記憶體需要耗費更長的時間，類似於需要 1.5 小時才能從遠處拿到資料。

五、資料載入與存儲操作範例

1. 從記憶體載入資料到 registers

• 範例：

  lw x10, 12(x15)  # 從 x15 基址加 12 的位址，載入資料到 x10。
  

  • 這會將記憶體中位於 x15 基址加上 12 偏移量的值載入到 x10。

2. 將 registers 的資料存到記憶體

• 範例：

  sw x10, 40(x15)  # 將 x10 中的數據存入到 x15 基址加 40 的記憶體位址。
  

  • 這會將 x10 registers 中的資料存到 x15 基址加上 40 偏移量的位置。