RISC-V 指令集介绍

news2024/12/23 18:22:26

1. 背景介绍

指令集从本质上可以分为复杂指令集（Complex Instruction Set Computer，CISC）和精简指令集（Reduced Instruction Set Computer，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的不同寻常之处在于：和几乎所有以往的ISA不同，它是模块化的。它的核心是一个名为RV32I的基础ISA，运行一个完整的软件栈。RV32I是固定的，永远不会改变。这为编译器编写者，操作系统开发人员和汇编语言程序员提供了稳定的目标。模块化来源于可选的标准扩展，根据应用程序的需要，硬件可以包含或不包含这些扩展。这种模块化特性使得RISC-V具有了袖珍化、低能耗的特点。

2. 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：

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

指令只有6种格式，并且所有指令都是32位长，指令的低7位固定为opcode，简化了指令解码。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

2.1. R型指令

32bit R型指令包括6个部分：

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

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

2.2. I型指令

I型指令包括5个部分：

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

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

2.3. S型指令

S型指令包括6个部分：

opcode是操作码，位宽7bit，在指令的0-6bit；
imm[4:0]+imm[11:5]；
funct3是操作字段。funct3占了3bit，在指令的12-14bit；
rs1 (Source Register 1)是第一个源操作数寄存器，占了5bit，在指令的15-19bit；
rs2 (Source Register 2)是第二个源操作数寄存器，占了5bit，在指令的25-31bit。

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

2.4. B型指令

B型指令包括6个部分：

opcode是操作码，位宽7bit，在指令的0-6bit；
imm[4:1]+imm[11]+imm[10:5]+imm[12]；（注：imm[0]被丢弃，因为它始终为零）
funct3是操作字段。funct3占了3bit，在指令的12-14bit；
rs1 (Source Register 1)是第一个源操作数寄存器，占了5bit，在指令的15-19bit；
rs2 (Source Register 2)是第二个源操作数寄存器，占了5bit，在指令的25-31bit。

B型指令构成如下：

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;}

2.5. U型指令

U型指令包括3个部分：

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

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

2.6. J型指令

J型指令包括3个部分：

opcode是操作码，位宽7bit，在指令的0-6bit；
rd (Destination Register)是目的寄存器，占了5bit，在指令的7-11bit；
立即数划分：imm[19:12]+imm[11]+imm[10:1]+imm[20]:

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