RISC-V 指令系统

指令系统

指令集

指令集从本质上可以分为复杂指令集（Complex Instruction Set Computing，CISC）和精简指令集（Reduced Instruction Set Computing，RISC）两种。复杂指令集的特点是能够在一条指令内完成很多事情。

指令架构（Instruction Set Architecture, 缩写为ISA），是软件和硬件的接口，不同的应用需求，会有不同的指令架构。

RISC-V指令集使用模块化的方式进行组织，每一个模块使用一个英文字母来表示。最基本也是唯一强制要求实现的指令集部分是I字母代表的基本整数指令集。

RISC-V指令格式

常见的RISC-V指令集如下表所示

基本指令集	含义
RV32I	32位整数指令集
RV32E	RV32I的子集，用于小型嵌入式场景
RV64I	64位整数指令集，兼容RV32I
RV128I	128位整数指令集，兼容RV64I和RV32I

RISC-V有六种基本指令格式：

指令类型	操作
R-type	用于寄存器-寄存器操作
I-type	用于短立即数和访存 load 操作
S-type	用于访存 store 操作
B-type	用于条件跳转操作
U-type	用于长立即数
J-type	用于无条件跳转

在RISC-V中对于所有指令，要读写的寄存器的标识符总是在同一位置，意味着在解码指令之前，就可以先开始访问寄存器，这些格式的立即数字段总是符号扩展，符号位总是在指令中最高位，各种类型的指令构成如下图所示：

字段	含义
opcode(操作码)	指令的基本操作，这个缩写是它惯用名称
rd	目的操作寄存器，用来存放操作结果
funct3	一个另外的操作码字段
rs1	第一个源操作数寄存器
rs2	第二个源操作数寄存器
funct7	一个另外的操作码字段
imm	立即数

R型指令

R型指令构成如下：

R型的全部指令（RV32I）

R型指令包括加法、减法、逻辑运算、移位运算。

示例：
add a0, a1, a2  //a0 = a1 + a2
sub a0, a1, a2  //a0 = a1 - a2
sll a0, a1, a2  //a0 = a1 << a2(低位补0)
srl a0, a1, a2  //a0 = a1 >> a2(高位补0）
sra a0, a1, a2  //a0 = a1 >> a2 (算术右移，高位补原来的符号位)
slt a0, a1, a2  //a1 < a2 ? a0 = 1 : a0 = 0
xor a0, a1, a2  //a0 = a1 ^ a2
or  a0, a1, a2  //a0 = a1 | a2
and a0, a1, a2  //a0 = a1 & a2

I型指令

I型指令构成如下：

I型的全部指令（RV32I）

I型指令包括立即数的运算和load指令。

示例：
addi a0, a1, 0x5  //a0 = a1 + 0x5
subi a0, a1, 0x05  //a0 = a1 - 0x05
slli a0, a1, 0x05  //a0 = a1 << 0x05(低位补0)
srli a0, a1, 0x05  //a0 = a1 >> 0x05(高位补0）
srai a0, a1, 0x05  //a0 = a1 >> 0x05 (算术右移，高位补原来的符号位)
slti a0, a1, 0x05  //a1 < 0x05 ? a0 = 1 : a0 = 0
xori a0, a1, 0x05  //a0 = a1 ^ 0x05
ori a0, a1, 0x05   //a0 = a1 | 0x05
andi a0, a1, 0x05  //a0 = a1 & 0x05

示例：
lb x10,  0(x1)  //将x1的值加上0,将这个值作为地址， 取出这个地址所对应的内存中的值， 将这个值赋值给x10(取出的是8位数值)
lh x10,  0(x1)  //从内存中取出16位数值
lw x10, 0(x1)  //从内存中取出32位数值
lbu x10, 0(x1) //从内存中取出8位无符号数值
lhu x10, 0(x1) //从内存中取出16位无符号数值

S型指令

S型指令构成如下：

S型的全部指令（RV32I）

S型指令包括store指令。

示例：
sb  x10, 0(x1)  //x1的值加上0,将这个值作为地址， 将x10的值存储到上述地址所对应的内存中去 (只会将x10的值的低8位写入)
sh  x10, 0(x1)  //只会将x10的值的低16位写入
sw  x10, 0(x1)  //只会将x10的值的低32位写入

B型指令

B型指令构成如下：

（注：imm[0]被丢弃，因为它始终为零）

///-----------------------------------------------------------------------------------------------------------

分支跳转指令的基址是分支指令所在地址，偏移量offset为0会导致指令卡死，形成无限循环。

bne指令会比较 x9和 x0 的值。

如果不相等，程序将跳转到 PC + 0，即下一条指令。

bne x9, x0, 0 的行为：

• 当 x9 和 x0 不相等时，程序计数器（PC）会被设置为 PC + (offset << 1)，其中 offset 是一个相对偏移量。如果 offset 是 0，则计算结果是 PC + 0，即程序计数器不会改变，指向当前指令地址，这会导致以下行为：
  1. 指令重新执行：程序计数器保持不变，指向当前指令，这意味着处理器将不断地重新执行这条 BEQ 指令。
  2. 无限循环：由于 rs1 和 rs2 的值不变且相等，条件总是满足，导致程序卡在这条指令上，形成无限循环。

bne x9 x0 0
0000000,00000,01001,001,0000,0,1100011
imm[4:1]=0000

偏移量offset 是一个12位的值，在指令中存储时，它已经经过左移一位的处理，即存储的偏移量实际上是 offset << 1。

当需要计算分支目标地址时，处理器会将 offset 左移一位，得到实际的字节偏移量。

bne x9 x0 4
0,000000,00000,01001,001,0010,0,1100011
imm[4:1]=0010

bne x9 x0 8
0000000,00000,01001,001,0100,0,1100011
imm[4:1]=0100

///-----------------------------------------------------------------------------------------------------------

B型的全部指令（RV32I）

B型指令包括条件跳转指令。

示例：
beq a1,a2,Label   //if(a1==a2){goto Label;}
bne a1,a2,Label   //if(a1!=a2){goto Label;}
blt a1,a2,Label   //if(a1< a2){goto Label;}
bgt a1,a2,Label   //if(a1> a2){goto Label;}
bge a1,a2,Label   //if(a1<=a2){goto Label;}
ble a1,a2,Label   //if(a1>=a2){goto Label;}

U型指令

U型指令构成如下：

U型的全部指令（RV32I）

示例“”
lui  x10, 0x65432 //得到立即数的高20位，低位补0，立即数范围为：0x00~0xFFFFF

J型指令

J型指令构成如下：

J型的全部指令（RV32I）

示例：
jal ra, symbol    // 跳转到Symbol中去, 并把ra设置成返回地址 Symbol 可以是自定义的Label ,也可以是某个函数名
jal ra, 100       // 跳转到pc + 100 * 2的地方中去, 并把ra设置成返回地址  pc相对寻址，对应的是位置无关代码（PIC)
jalr ra, 40(x10)  // 跳转到x10+40 的地方中去, 并把ra设置成返回地址x10+40必须是绝对地址，指向内存中某个确定的地方（往往是函数的开头），非PIC

通用寄存器

RV32I有32个通用寄存器，以及一个PC寄存器。其中有一个通过硬件设置的值恒为 0 的 x0 寄存器

注：RISC-V的32个寄存器x0～x31是用0～31这些数字来表示。

参考资料：
RISC-V 指令集介绍

原文地址：https://blog.csdn.net/weixin_44538128/article/details/140292843

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