RISC-V 指令详解
RISC-V是当下热门的技术，值得大家学习，这里分享一份关于RISC-V指令的内容给大家。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 RISC1.2 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：https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/OlsrukP7KTYib979OumPkNibPeTsApAypFRDBXwQzhUMzUoaBLEXB4hEXF4kCuLJtia12Deicrdpob1OjibRECiaiaAzw/640?wx_fmt=pngRV32I 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。https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/OlsrukP7KTYib979OumPkNibPeTsApAypFD8sFYrfaCJ7dFnibQWdkmafwaP58OPcLAJu22CM74fC2gVT3tUb5vLQ/640?wx_fmt=png3. 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。https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/OlsrukP7KTYib979OumPkNibPeTsApAypFO1gLjp3M23WjPCBNooRW3t8Uc1lnwhDWJqZuAIXfpNY4SeVoUUATCQ/640?wx_fmt=png
[*]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
1R 型指令用于寄存器和寄存器操作
2I 型指令用于短立即数和内存载入指令load操作
3S 型指令用于内存存储store操作
4B 型指令用于有条件跳转操作
5U 型指令用于长立即数操作
6J 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
x0zero0值寄存器，硬编码为0，写入数据忽略，读取数据为0
x1ra用于返回地址(return address)
x2sp用于栈指针（stack pointer）
x3gp用于通用指针 (global pointer)
x4tp用于线程指针 （thread pointer）
x5t0用于存放临时数据或者备用链接寄存器
x6~x7t1~t2用于存放临时数据寄存器
x8s0/fp需要保存的寄存器或者帧指针寄存器
x9s1需要保存的寄存器
x10~x11a0~a1函数传递参数寄存器或者函数返回值寄存器
x12~x17a2~a7函数传递参数寄存器
x18~x27s2-s11需要保存的寄存器
x28~x31t3~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https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/OlsrukP7KTYib979OumPkNibPeTsApAypF6DnrV3gfrz29LEl0h1jL3kZhcweQ9rSVvh6ds3y5tnquwcKkIWwsow/640?wx_fmt=pngR型指令：寄存器与寄存器操作指令https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/OlsrukP7KTYib979OumPkNibPeTsApAypFVm8aREfibrLO97agH5YiaYwNvDzbhK9uSzFOAoPOWd8OziaHc4NN9nJfQ/640?wx_fmt=png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。https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/OlsrukP7KTYib979OumPkNibPeTsApAypF1nVGJfIicB6kLDYGFvCria7ddNAWcyoFYkjOlFERPjD8PBtoZKRTbh6A/640?wx_fmt=png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
https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/OlsrukP7KTYib979OumPkNibPeTsApAypFASCUvkpibHvgq5WCp6ZJPEGs3tvb0BibqguHA7dPPOnXdX6weA6YppiaA/640?wx_fmt=png5.3.2 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：https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/OlsrukP7KTYib979OumPkNibPeTsApAypFfMZcCicibaWnkRrhQ2qZs8EboicRSBwg1aqCuE81cd7wMPPRMe2NaDAMg/640?wx_fmt=png
[*]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：https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/OlsrukP7KTYib979OumPkNibPeTsApAypFfMZcCicibaWnkRrhQ2qZs8EboicRSBwg1aqCuE81cd7wMPPRMe2NaDAMg/640?wx_fmt=png
[*]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)https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/OlsrukP7KTYib979OumPkNibPeTsApAypFY9rgtOV0k0wbfdCibTGyaz7FAYkRD92GDHcrX8JTFtSHYQQNe84PF4g/640?wx_fmt=png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。
本帖来源：RISC-V指令祥解
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