RISC-V 指令大全

牛頓家的計算機

2022年10月13日 13:28

1. 指令集

1.1 指令集

指令集是一個CPU的基石，要實現(xiàn)CPU 計算和控制功能，就必須定義好一系列與硬件電路相匹配的指令系統(tǒng).

指令就是我們交代CPU 要執(zhí)行的操作，指令集就可以簡單理解為指令的集合。我們把cpu 能夠識別的指令匯總在一起就構成了一個指令集。

不同的CPU 有不同的指令集，根據(jù)他們的繁簡程度可以分為兩種：復雜指令集CISC 和精簡指令集 RISC

1.2 指令集架構

指令架構（Instruction Set Architecture, 縮寫為ISA），是軟件和硬件的接口，不同的應用需求，會有不同的指令架構。要設計一款CPU 指令體系就是設計的出發(fā)點。

2. RISC-V 指令集架構

RISC-V 指令有以下特點：

完全開放
指令簡單
模塊化設計，易于擴展

名稱	類別	說明
RV32I	基礎指令	整數(shù)指令：包含算法、分支、邏輯、訪存指令，有32個32位寄存器。能尋址32位地址空間
RV64I	基礎指令	整數(shù)指令：包含算法、分支、邏輯、訪存指令，有32個64位寄存器。能尋址64位地址空間
RV128I	基礎指令	整數(shù)指令：包含算法、分支、邏輯、訪存指令，有32個128位寄存器。能尋址128位地址空間
RV32E	基礎指令	與RV32I一樣，只不過只使用前16個（0~15）32位寄存器
M	擴展指令	包含乘法、除法、取模求余指令
F	擴展指令	單精度浮點指令
D	擴展指令	雙精度浮點指令
Q	擴展指令	四倍精度浮點指令
A	擴展指令	原子操作指令：比如比較并交換，讀改寫等指令
C	擴展指令	壓縮指令：單指令長度為16位，主要用于改善程序大小
P	擴展指令	單指令多數(shù)據(jù)（Packed-SIMD）指令
B	擴展指令	位操作指令
H	擴展指令	支持（Hypervisor）管理指令
J	擴展指令	支持動態(tài)翻譯語言指令
L	擴展指令	十進制浮點指令
N	擴展指令	用戶中斷指令
G	通用指令	包含I、M、A、F、D 指令

要滿足現(xiàn)在操作系統(tǒng)和應用程序的基本運行，RV32G指令集或者RV64G指令集就夠了。RV32G和RV64G指令集只有寄存器位寬和尋址大小不同。這些指令按照功能可以分為如下幾類：

整數(shù)運算指令：算術、邏輯、比較等基礎運算功能。
分支轉(zhuǎn)移指令：實現(xiàn)條件轉(zhuǎn)移、無條件轉(zhuǎn)移操作
加載存儲指令：實現(xiàn)字節(jié)、半字(half word)、字(word)、雙字（RV64I）的加載，存儲操作，采用的都是寄存器相對尋址方式
控制與狀態(tài)寄存器訪問指令：實現(xiàn)對系統(tǒng)控制與系統(tǒng)狀態(tài)寄存器的原子讀-寫、原子讀-修改、原子讀-清零等操作
系統(tǒng)調(diào)用指令：實現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)用功能。
原子指令：用于各種同步鎖
單雙浮點指令：實現(xiàn)浮點運算操作

從上表我們可以看到，RISC-V 指令集具有模塊化特點。這就允許我們根據(jù)自己的需求，選擇一個基礎指令集，加上若干個擴展指令集靈活搭配，就可以得到我們想要的指令集架構，進而根據(jù)這樣的指令架構，設計出貼合我們需求的CPU.

作為初學者，我們了解RISC-V 的核心即可。它的最核心部分是一個基礎指令集，叫做RV32I.

RV32I 包含的指令是固定不變的，這為編譯器設計人員，操作系統(tǒng)開發(fā)人員和匯編語言程序員提供了穩(wěn)定的基礎框架。

RV32I 指令集：

RISC-V 指令大全的圖1

RV32I 指令集如圖所示，把帶下劃線的字母從左至右連接組合就是組成了RV32I指令。{}表示集合中垂直方向的每個項目指令不同變體。變體用下劃線字母或者下劃線表示表示，如果大括號里面只有下劃線，則表示對此變體不需要用字母表示

我們結合具體例子來看：下圖表示了bge、blt、bgeu、bltu四個指令。

3. 指令格式

下圖是RISC-V 指令格式，從下圖可以看到RSIC-V共六種指令格式。

opcode :指令操作碼
imm：代碼立即數(shù)
func3和funct7：代表指令對應的功能
rs1：源寄存器1
rs2：源寄存器2
rd：目標寄存器（RSIC-V 一個指令可以提供三個寄存器操作）

六種指令格式作用如下：

序號	指令類型	作用
1	R 型指令	用于寄存器和寄存器操作
2	I 型指令	用于短立即數(shù)和內(nèi)存載入指令load操作
3	S 型指令	用于內(nèi)存存儲store操作
4	B 型指令	用于有條件跳轉(zhuǎn)操作
5	U 型指令	用于長立即數(shù)操作
6	J 型指令	用于無條件跳轉(zhuǎn)操作

4.寄存器

在RISC-V 的規(guī)范里面定義了32 個通用寄存器。其中31個是常規(guī)寄存器，1個恒為0值的x0寄存器。

0值寄存器是為了滿足匯編語言程序員和編譯器編寫者的使用需要，他們可以使用x0寄存器作為操作數(shù)，來完成功能相同的操作。

addi x0,x0,0 ; 0 = 0 + 0,相當于 nop 空指令

RSIC-V 寄存器說明

寄存器	ABI 名稱	說明
x0	zero	0值寄存器，硬編碼為0，寫入數(shù)據(jù)忽略，讀取數(shù)據(jù)為0
x1	ra	用于返回地址(return address)
x2	sp	用于棧指針（stack pointer）
x3	gp	用于通用指針 (global pointer)
x4	tp	用于線程指針（thread pointer）
x5	t0	用于存放臨時數(shù)據(jù)或者備用鏈接寄存器
x6~x7	t1~t2	用于存放臨時數(shù)據(jù)寄存器
x8	s0/fp	需要保存的寄存器或者幀指針寄存器
x9	s1	需要保存的寄存器
x10~x11	a0~a1	函數(shù)傳遞參數(shù)寄存器或者函數(shù)返回值寄存器
x12~x17	a2~a7	函數(shù)傳遞參數(shù)寄存器
x18~x27	s2-s11	需要保存的寄存器
x28~x31	t3~t6	用于存放臨時數(shù)據(jù)寄存器

5. RV32I 指令解讀

5.1 算術與邏輯指令

在RV32I 中包括算術指令（add/sub）、數(shù)值比較指令(slt)、邏輯指令(and/or/xor)以及移位指令(sll/srl/sra)這幾種指令。

這些指令和其他指令集差不多，它們從寄存器讀取兩個32位的值，并將32位運算結果再寫回到目標寄存器。

I型指令：立即數(shù)算術運算

R型指令：寄存器與寄存器操作指令

RISC-V 指令大全的圖5

需要指出的是，在寄存器與寄存器操作的算術指令中。必須要有減法指令。這和立即數(shù)操作指令不同。

5.2 Load 和 Store 指令

在RISC-V 指令集中，對內(nèi)存的讀寫只能通過LOAD 和 STORE 指令實現(xiàn)。而其他的指令只能以寄存器為操作對象。

如上圖所示，load 和 store 的尋址模式只能是符號擴展12位的立即數(shù)，加上基地址寄存器得到訪存的存儲器地址。因為沒有了復雜的內(nèi)存尋址方式，這讓CPU 流水線可以對數(shù)據(jù)沖突提前做出判斷，并通過流水線各級轉(zhuǎn)送加以處理，而不需要加入空操作（NOP），極大的提高了代碼的執(zhí)行效率。

5.3 分支跳轉(zhuǎn)指令

5.3.1 有條件的分支跳轉(zhuǎn)

RV32I 中的條件跳轉(zhuǎn)就是通過比較兩個寄存器的值，進行分支跳轉(zhuǎn)：

beq：相等
bne：不相等
bge/bgeu：大于等于
blt/bltu：小于

5.3.2 無條件的分支跳轉(zhuǎn)

無條件跳轉(zhuǎn)指令可以細分為直接跳轉(zhuǎn)和間接跳轉(zhuǎn)。直接跳轉(zhuǎn)指令JAL 如下圖所示：

RISC-V 指令大全的圖8

JAL 指令執(zhí)行過程是這樣的。它會把20位立即數(shù)做符號位擴展。并左移一位，產(chǎn)生一個32位符號數(shù)。然后，將該32位符號數(shù)和PC相加來產(chǎn)生目標地址（這樣，JAL 可以作為短跳轉(zhuǎn)指令，跳至PC+1MB的地址范圍內(nèi)）
同時JAL 會把緊隨其后的那條指令地址，存入目標寄存器中。這樣，如果目標寄存器是零，則JAL就等同GOTO指令；如果目標寄存器不為零，JAL可以實現(xiàn)函數(shù)調(diào)用功能。

間接跳轉(zhuǎn)直接JALR如下：

JALR指令會把12位立即數(shù)和源寄存器相加，并把相加結果末位清零，作為新的跳轉(zhuǎn)地址。同時和JAL指令一樣，也會把緊隨其后的那條指令地址，存入目標寄存器中。

5.4 其他指令

除了內(nèi)存地址空間和通用寄存器地址空間外，RISC-V 還定義了一個獨立的控制和狀態(tài)寄存器地址空間（Control Status Register）每個處理器實現(xiàn)的CSR會因設計目標不同而有差異，但是這些CSR的訪問方式卻是一樣的，訪問這些CSR指令定義在了用戶指令集中(Zicsr指令集擴展)