一文详解RISC-V指令集

1. 指令集

1.1 指令集

指令集是一个CPU的基石，要实现CPU 计算和控制功能，就必须定义好一系列与硬件电路相匹配的指令系统.

指令就是我们交代CPU 要执行的操作，指令集就可以简单理解为指令的集合。我们把cpu 能够识别的指令汇总在一起就构成了一个指令集。

不同的CPU 有不同的指令集，根据他们的繁简程度可以分为两种：复杂指令集CISC 和精简指令集 RISC

1.2 指令集架构

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。要设计一款CPU 指令体系就是设计的出发点。

2. RISC-V 指令集架构

RISC-V 指令有以下特点：

• 完全开放
• 指令简单
• 模块化设计，易于扩展

名称	类别	说明
RV32I	基础指令	整数指令：包含算法、分支、逻辑、访存指令，有32个32位寄存器。能寻址32位地址空间
RV64I	基础指令	整数指令：包含算法、分支、逻辑、访存指令，有32个64位寄存器。能寻址64位地址空间
RV128I	基础指令	整数指令：包含算法、分支、逻辑、访存指令，有32个128位寄存器。能寻址128位地址空间
RV32E	基础指令	与RV32I一样，只不过只使用前16个（0~15）32位寄存器
M	扩展指令	包含乘法、除法、取模求余指令
F	扩展指令	单精度浮点指令
D	扩展指令	双精度浮点指令
Q	扩展指令	四倍精度浮点指令
A	扩展指令	原子操作指令：比如比较并交换，读改写等指令
C	扩展指令	压缩指令：单指令长度为16位，主要用于改善程序大小
P	扩展指令	单指令多数据（Packed-SIMD）指令
B	扩展指令	位操作指令
H	扩展指令	支持（Hypervisor）管理指令
J	扩展指令	支持动态翻译语言指令
L	扩展指令	十进制浮点指令
N	扩展指令	用户中断指令
G	通用指令	包含I、M、A、F、D 指令

要满足现在操作系统和应用程序的基本运行，RV32G指令集或者RV64G指令集就够了。RV32G和RV64G指令集只有寄存器位宽和寻址大小不同。这些指令按照功能可以分为如下几类：

• 整数运算指令：算术、逻辑、比较等基础运算功能。
• 分支转移指令：实现条件转移、无条件转移操作
• 加载存储指令：实现字节、半字(half word)、字(word)、双字（RV64I）的加载，存储操作，采用的都是寄存器相对寻址方式
• 控制与状态寄存器访问指令：实现对系统控制与系统状态寄存器的原子读-写、原子读-修改、原子读-清零等操作
• 系统调用指令：实现系统调用功能。
• 原子指令：用于各种同步锁
• 单双浮点指令：实现浮点运算操作

从上表我们可以看到，RISC-V 指令集具有模块化特点。这就允许我们根据自己的需求，选择一个基础指令集，加上若干个扩展指令集灵活搭配，就可以得到我们想要的指令集架构，进而根据这样的指令架构，设计出贴合我们需求的CPU.

作为初学者，我们了解RISC-V 的核心即可。它的最核心部分是一个基础指令集，叫做RV32I.

RV32I 包含的指令是固定不变的，这为编译器设计人员，操作系统开发人员和汇编语言程序员提供了稳定的基础框架。

RV32I 指令集：

RV32I 指令集如图所示，把带下划线的字母从左至右连接组合就是组成了RV32I指令。{}表示集合中垂直方向的每个项目指令不同变体。变体用下划线字母或者下划线表示表示，如果大括号里面只有下划线，则表示对此变体不需要用字母表示

我们结合具体例子来看：下图表示了bge、blt、bgeu、bltu四个指令。

3. 指令格式

下图是RISC-V 指令格式，从下图可以看到RSIC-V共六种指令格式。

• opcode :指令操作码
• imm：代码立即数
• func3和funct7：代表指令对应的功能
• rs1：源寄存器1
• rs2：源寄存器2
• rd：目标寄存器（RSIC-V 一个指令可以提供三个寄存器操作）

六种指令格式作用如下：

序号	指令类型	作用
1	R 型指令	用于寄存器和寄存器操作
2	I 型指令	用于短立即数和内存载入指令load操作
3	S 型指令	用于内存存储store操作
4	B 型指令	用于有条件跳转操作
5	U 型指令	用于长立即数操作
6	J 型指令	用于无条件跳转操作

4.寄存器

在RISC-V 的规范里面定义了32 个通用寄存器。其中31个是常规寄存器，1个恒为0值的x0寄存器。

0值寄存器是为了满足汇编语言程序员和编译器编写者的使用需要，他们可以使用x0寄存器作为操作数，来完成功能相同的操作。

addi x0,x0,0 ; 0 = 0 + 0,相当于 nop 空指令

RSIC-V 寄存器说明

寄存器	ABI 名称	说明
x0	zero	0值寄存器，硬编码为0，写入数据忽略，读取数据为0
x1	ra	用于返回地址(return address)
x2	sp	用于栈指针（stack pointer）
x3	gp	用于通用指针 (global pointer)
x4	tp	用于线程指针 （thread pointer）
x5	t0	用于存放临时数据或者备用链接寄存器
x6~x7	t1~t2	用于存放临时数据寄存器
x8	s0/fp	需要保存的寄存器或者帧指针寄存器
x9	s1	需要保存的寄存器
x10~x11	a0~a1	函数传递参数寄存器或者函数返回值寄存器
x12~x17	a2~a7	函数传递参数寄存器
x18~x27	s2-s11	需要保存的寄存器
x28~x31	t3~t6	用于存放临时数据寄存器

5. RV32I 指令解读

5.1 算术与逻辑指令

在RV32I 中包括算术指令（add/sub）、数值比较指令(slt)、逻辑指令(and/or/xor)以及移位指令(sll/srl/sra)这几种指令。

这些指令和其他指令集差不多，它们从寄存器读取两个32位的值，并将32位运算结果再写回到目标寄存器。

I型指令：立即数算术运算

R型指令：寄存器与寄存器操作指令

需要指出的是，在寄存器与寄存器操作的算术指令中。必须要有减法指令。这和立即数操作指令不同。

5.2 Load 和 Store 指令

在RISC-V 指令集中，对内存的读写只能通过LOAD 和 STORE 指令实现。而其他的指令只能以寄存器为操作对象。

如上图所示，load 和 store 的寻址模式只能是符号扩展12位的立即数，加上基地址寄存器得到访存的存储器地址。因为没有了复杂的内存寻址方式，这让CPU 流水线可以对数据冲突提前做出判断，并通过流水线各级转送加以处理，而不需要加入空操作（NOP），极大的提高了代码的执行效率。

5.3 分支跳转指令

5.3.1 有条件的分支跳转

RV32I 中的条件跳转就是通过比较两个寄存器的值，进行分支跳转：

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

5.3.2 无条件的分支跳转

无条件跳转指令可以细分为直接跳转和间接跳转。直接跳转指令JAL 如下图所示：

• JAL 指令执行过程是这样的。它会把20位立即数做符号位扩展。并左移一位，产生一个32位符号数。然后，将该32位符号数和PC相加来产生目标地址（这样，JAL 可以作为短跳转指令，跳至PC+1MB的地址范围内）
• 同时JAL 会把紧随其后的那条指令地址，存入目标寄存器中。这样，如果目标寄存器是零，则JAL就等同GOTO指令；如果目标寄存器不为零，JAL可以实现函数调用功能。

间接跳转直接JALR如下：

• JALR指令会把12位立即数和源寄存器相加，并把相加结果末位清零，作为新的跳转地址。同时和JAL指令一样，也会把紧随其后的那条指令地址，存入目标寄存器中。

5.4 其他指令

除了内存地址空间和通用寄存器地址空间外，RISC-V 还定义了一个独立的控制和状态寄存器地址空间（Control Status Register）每个处理器实现的CSR会因设计目标不同而有差异，但是这些CSR的访问方式却是一样的，访问这些CSR指令定义在了用户指令集中(Zicsr指令集扩展)

有了上图这些CSR 指令，能够让我们轻松的访问一些程序性能计数器。这些计数器包括系统时间、时间周期以及执行的指令数目。

　　审核编辑：汤梓红