计算机系统基础（五）之RISC-V指令集_risc指令集

RISC-V指令集

本文主要介绍RISC-V指令集，简单总结一些重点信息，其中参考了《RISC-V 手册》和《计算机组成与设计 硬件与软件接口 RISC V 版》，如果学习过程中有问题，欢迎指正。

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提示：写完文章后，目录可以自动生成，如何生成可参考右边的帮助文档

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前言

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提示：以下是本篇文章正文内容，下面案例可供参考

一、RISC-V诞生的意义

RISC-V要成为一个指令集，他必须要符合一下这些特征。

1. 要能适应包括从最袖珍的嵌入式控制器，到最快的高性能计算机等各种规模的处理器

2. 应该能兼容各种流行的软件栈和编程语言

3. 应该适应所有实现技术，包括现场可编程门阵列（FPGA）、专用集成电路
   （ASIC）、全定制芯片，甚至未来的设备技术。

4. 应该对所有微体系结构样式都有效

5. 应该支持广泛的专业化，成为定制加速器的基础

6. 应该是稳定的，基础的指令集架构不应该改变

RISC-V相对于以前传统的指令集，它的优点在于：

• 一个最近诞生的指令集架构
• 是一个开源的指令集架构
• 模块化
• 社区化
• 稳定
• 清晰的分层设计

二、RISC-V ISA 命名规范

RISC-V的命名规范：RV[###][abc……xyz]。例如：RV32IMA，RV64GC

• RV：用于标识 RISC-V 体系架构的前缀，即 RISC-V 的缩写。
• [###]：{32, 64, 128} 用于标识处理器的字宽，也就是 处理器的寄存器的宽度（单位为 bit）。
• [abc…xyz]：标识该处理器支持的指令集模块集合。

三、 模块化

RISC-V的模块化是以一个名为RV32I的基础ISA作为核心模块，RV32I是固定的，永远不会改变，但根据应用程序的需要可以选择扩展模块。
扩展模块指令集：

• RISC-V 允许在实现中以可选的形式实现其他 标准化和非标准化的指令集扩展。
• 特定组合“IMAFD”被称为 “通用（General）” 组合，用英文字母 G 表示。

这种模块化特性使得RISC-V具有了袖珍化、低能耗的特点，而这对于嵌入式应用可能至关重要。惯例是把代表扩展的字母附加到指令集名称之后作为指示。例如，RV32IMFD将乘法（RV32M），单精度浮点（RV32F）和双精度浮点（RV32D）的扩展添加到了基础指令集（RV32I）中。
用一个公式简单表达，即：
RISC ISA = 1 个基本整数指令集 + 多个可选的扩展指令集

3.1RISC-V的基础指令模块

RISC-V有六种基本指令格式：

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

以RV32为例
如下图所示：

3.1.1 R 类型指令

R类型指令将32位划分成6个区域：

• opcode是操作码，占了7bit，在指令格式的0-6bit位上
• rd (Destination Register)是目的寄存器，占了5bit，在指令格式的7-11bit位上
• funct3+funct7是两个操作字段。funct3占了3bit，在指令格式的12-14bit位上；funct7占了7bit，在指令格式的25-31bit位上。
• rs1 (Source Register #1)是第一个源操作数寄存器，占了5bit，在指令格式的15-19bit位上。
• rs2 (Source Register #2)是第二个源操作数寄存器，占了5bit，在指令格式的25-31bit位上。

R类型的全部指令

例子：

add x18,x19,x10
1

3.1.2 I类型指令

I类型指令将32位划分成5个区域：

• opcode是操作码，占了7bit，在指令格式的0-6bit位上
• rd (Destination Register)是目的寄存器，占了5bit，在指令格式的7-11bit位上
• funct3是操作字段。funct3占了3bit，在指令格式的12-14bit位上。
• rs1 (Source Register #1)是第一个源操作数寄存器，占了5bit，在指令格式的15-19bit位上。
• 存放12位的立即数——imm[11:0]，在指令格式的20-31bit位上。

I类型指令可以用于：

• 寄存器-立即数的运算
• 加载指令

格式上只有一个字段不同于r格式，rs2和funct7替换为12位符号立即数（immediate字）imm[11：0]。immediate字段为补码值，所以它可以表示从-2"到2"-1之间的整数。当I型格式用于加载指令时，immediate字段表示一个字节偏移量，所以加载双字指令可以取相对于基址寄存器rd中基地址偏移±（2"或2048)字节(±(2或256）个双字)的任何双字。

指令格式展示：
寄存器-立即数的运算

加载指令
同样格式的I类型指令也可以用作加载指令

I类型的指令算术展示：

注：其中画圈表示位移方向0表示向左移，1表示向右移

• SLLI：是逻辑左移，低位补零
• SRLI：是逻辑右移, 高位补零
• SRAI：是算术右移，高位补原来高位。
  
  注：RV32I 支持加载有符号和无符号字节和半字（lb，lbu，lh，lhu）

举例：

addi x15,x1,-50
1

加载：

lw x14, 8(x2)
1

3.1.3 S类型指令

S类型指令将32位划分成6个区域：

• opcode是操作码，占了7bit，在指令格式的0-6bit位上
• imm[4:0]+imm[11:5]:立即数分成两个：存放前5位的立即数——imm[4:0],在指令格式的7-11bit位上；存放后7位立即数——imm[11:5]，在指令格式的25-31bit位上。
• funct3是操作字段。funct3占了3bit，在指令格式的12-14bit位上。
• rs1 (Source Register #1)是第一个源操作数寄存器，占了5bit，在指令格式的15-19bit位上。
• rs2 (Source Register #2)是第二个源操作数寄存器，占了5bit，在指令格式的25-31bit位上。

S型格式的12位 immediate字段分成了两个字段，低5位和高7位。RISC-V体系结构设计师选择这种设计是因为它能够在所有指令格式中保持rs1和 rs2字段在相同的位置。保持尽可能相似的指令格式降低了硬件的复杂性。同样，opcode和 funct3字段也总是保持同样的大小并在同一个位置。

指令格式展示：

S类型的指令算术展示：

注：sb = Store byte,sh = Store halfword, sw = Store word
举例

sw x14, 8(x2)  #先将x2寄存器偏移8bit，再存到x14寄存器。
1

3.1.4 B类型指令

B类型指令将32位划分成6个区域：

• opcode是操作码，占了7bit，在指令格式的0-6bit位上
• imm[4:1]+imm[11]+imm[10:5]+imm[12]:立即数分成四个：
  • 存放第11位的立即数——imm[11]，在指令格式的第7bit位上；
  • 存放第1位到第5位的立即数——imm[4:1],在指令格式的8-11bit位上；
  • 存放后6位的立即数——imm[11:5]，在指令格式的25-30bit位上；
  • 存放第12位的立即数——imm[12]，在指令格式的31bit位上。
    注：imm[0]被丢弃，因为它始终为零。
• funct3是操作字段。funct3占了3bit，在指令格式的12-14bit位上。
• rs1 (Source Register #1)是第一个源操作数寄存器，占了5bit，在指令格式的15-19bit位上。
• rs2 (Source Register #2)是第二个源操作数寄存器，占了5bit，在指令格式的25-31bit位上。

B类型指令属于有条件的分支。RV32I 可以比较两个寄存器并根据比较结果上进行分支跳转。比较可以是：相等（beq），不相等 （bne），大于等于（bge），或小于（blt）。最后两种比较有符号比较，RV32I 也提供相应的无符号版本比较的：bgeu 和 bltu。剩下的两个比较关系（大于和小于等于）可以通过简单地交换两个操作数，即可完成比较。因为 x < y 表示 y > x 且 x ≥ y表示 y ≤ x。

RISC-V汇编语言包含两个决策类指令，类似于带go to的if语句。

• 第一条指令是:

beq rs1, rs2， Ll
1

该指令表示如果寄存器rs1中的值等于寄存器rs2中的值，则转到标签为L1的语句执行。助记符beq代表相等则分支。

• 第二条指令是:

bne rs1, rs2, Ll
1

该指令表示如果寄存器rs1中的值不等于寄存器rs2中的值，则转到标签为L1的语句执行。助记符bne代表不等则分支。

这两条指令通常称作条件分支指令。

注：PC 相对寻址在后续补充

举例

beq x19,x10, offset = 16 bytes
1

3.1.5 U类型指令

U类型指令将32位划分成3个区域：

• opcode是操作码，占了7bit，在指令格式的0-6bit位上
• rd (Destination Register)是目的寄存器，占了5bit，在指令格式的7-11bit位上
• imm[31:12]:存放高20位的立即数——imm[31:12]，在指令格式的12-31bit位上
  

U类型指令包含两种指令

• LUI – 加载高位立即数
• AUIPC – 立即数地址添加到PC寄存器中

之前的类型指令中，已经有了12位的立即数作为表示常量。虽然常量通常很短并且适合12位，但有时它们也会更大。RISC-V指令系统包括指令 load upper immediate(取立即数高位，lui)，用于将高20位常数加载到寄存器的第31位到第12位。将寄存器的低12位用0填充。该指令会与ADDI指令一起使用，目的是将低12位写入目标寄存器，以实现对32位的寄存器数值设置。
LUI x10 0x87654 # x10 = 0x87654000
ADDI x10，x10，0x321 # x10 = 0x87654321

注：由于ADDI的12位立即数最高位是符号位。例如：

如何利用LUI加载0xDEADBEEF

LUI x10, 0xDEADB     # x10 = 0xDEADB000
ADDI x10, x10, 0xEEF    # x10 = 0xDEADAEEF
1
2

由上可知 0xDEADAEEF不等于0xDEADBEEF
所以当ADDI 的12位立即数为负，也就是最高位bit位为1时，得到而结果是高20为减1再和低12位拼接起来。（减1是和补码有关）
解决方法：当数值的低12位的符号为1时，将利用lui装入的高20为的立即数值预先加1，而ADDI写入的低12位不变。如下

LUI x10, 0xDEADB # x10 = 0xDEADB000
ADDI x10, x10, 0xEEF # x10 = 0xDEADAEEF
1
2

在汇编语言中还可以使用li伪指令，直接装入32位的数值，但时它在编译时还是会编译成LUI和ADDI这两条指令。

li x10, 0xDEADBEEF 
1

AUIPC指令加载一个20bit的的立即数，取值范围为0-1048575，但是该指令rd中保存的数据是(pc)+(立即数<<12)。用于PC相对寻址。

Label:  AUIPC x10, 0    # Puts address of label in x10
1

3.1.6 J类型指令

J类型指令将32位划分成3个区域：

• opcode是操作码，占了7bit，在指令格式的0-6bit位上
• rd (Destination Register)是目的寄存器，占了5bit，在指令格式的7-11bit位上
• imm[19:12]+imm[11]+imm[10:1]+imm[20]:
  • 存放第1位到第10位的立即数——imm[10:1]，在指令格式的21-30bit位上；
  • 存放11位的立即数——imm[11]，在指令格式的20bit位上；
  • 存放第12位到第19位的立即数——imm[19:12]，在指令格式的12-19bit位上；
  • 存放第20位的立即数——imm[20]，在指令格式的31bit位上；

跳转并链接指令（jal）具有双重功能。若将下一条指令 PC + 4 的地址保存到目标寄存器中，通常是返回地址寄存器 ra（见下图 寄存器），便可以用它来实现过程调用。像分支一样，jal 将其 20 位分支地址乘以 2，进行符号扩展后再添加到 PC 上，便得到了跳转地址。

注： 如果使用零寄存器（x0）替换 ra 作为目标寄存器，则可以实现无条件跳转，因为 x0 不能更改。

跳转和链接指令的寄存器版本（jalr）同样是多用途的。它可以调用地址是动态计算出来的函数，或者也可以实现调用返回（只需 ra 作为源寄存器，零寄存器（x0）作为目的寄存器）。Switch 和 case 语句的地址跳转，也可以使用 jalr 指令，目的寄存器设为 x0。

3.2 RV32I 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，

3.3 RISC-V的寻址方式

RISC-V分支指令寻址，在之前的B类型指令就是其中之一。
这种格式可以表示从-4096到4094的分支地址，以2的倍数表示。B型格式包括一个7位操作码、一个3位功能码、两个5位的寄存器操作数（ rs1和 rs2)和一个12位地址立即数。该地址使用特殊的编码方式，简化了数据通路设计，但使组装变得复杂。下面这条指令

bne x10，x11，2000    // if x10 != xll,go to location 2000  = 0111 1101 0000
1

其中条件分支的操作码是1100111₂，而bne 的funct3码是001₂
RISC-V的无条件跳转–链接指令(jal),是分支寻址的另一种方法，也是唯一使用J型格式的指令。该指令由一个7位操作码、一个5位目标寄存器操作数(rd)和一个20位地址立即数组成。链接地址，即jal之后的指令的地址,被写入rd 中。

如果程序的地址必须适合这个20位字段，则意味着没有程序可能大于2²⁰，所以另一种方法是指定一个与分支地址偏移量相加的寄存器，这样就允许程序大到264，并且仍然能够使用条件分支指令，以便分支指令可以按如下来计算:

程序计数器=寄存器内容＋分支地址偏移量
这样就允许程序大到2^64，并且仍然能够使用条件分支指令

1. 立即数寻址，操作数是指令本身的常量。
2. 寄存器寻址,操作数在寄存器中。
3. 基址或偏移寻址，操作数于内存中，其地址是寄存器和指令中的常量之和。
4. PC相对寻址,分支地址是PC和指令中常量之和。

注:加载和存储对字节、半字、字或双字的访问有不同的版本。

总结

在做RISC-V指令过程中，参考了《RISC-V版本的计算机组成与设计
硬件/软件接口》、《RISC-V 手册》、浙江大学mooc《计算机组成与设计：RISC-V》以及RISC-V官文提供文件。不清楚方面各种参考相互比较学习，收获颇多。我会坚持写完这一个系列。