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RISC-V 指令集介紹

2年前作者：不吃蔥的酸菜魚(yú)分類：Toy博客閱讀(30)違法舉報(bào)

這篇具有很好參考價(jià)值的文章主要介紹了RISC-V 指令集介紹。希望對(duì)大家有所幫助。如果存在錯(cuò)誤或未考慮完全的地方，請(qǐng)大家不吝賜教，您也可以點(diǎn)擊"舉報(bào)違法"按鈕提交疑問(wèn)。

1. 背景介紹

????????指令集從本質(zhì)上可以分為復(fù)雜指令集（Complex Instruction Set Computer，CISC）和精簡(jiǎn)指令集（Reduced Instruction Set Computer，RISC）兩種。復(fù)雜指令集的特點(diǎn)是能夠在一條指令內(nèi)完成很多事情。

????????指令架構(gòu)（Instruction Set Architecture, 縮寫(xiě)為ISA），是軟件和硬件的接口，不同的應(yīng)用需求，會(huì)有不同的指令架構(gòu)。

????????RISC-V的不同尋常之處在于：和幾乎所有以往的ISA不同，它是模塊化的。它的核心是一個(gè)名為RV32I的基礎(chǔ)ISA，運(yùn)行一個(gè)完整的軟件棧。RV32I是固定的，永遠(yuǎn)不會(huì)改變。這為編譯器編寫(xiě)者，操作系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員和匯編語(yǔ)言程序員提供了穩(wěn)定的目標(biāo)。模塊化來(lái)源于可選的標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展，根據(jù)應(yīng)用程序的需要，硬件可以包含或不包含這些擴(kuò)展。這種模塊化特性使得RISC-V具有了袖珍化、低能耗的特點(diǎn)。

2. RISC-V指令格式

常見(jiàn)的RISC-V指令集如下表所示：

基本指令集	含義
RV32I	32位整數(shù)指令集
RV32E	RV32I的子集，用于小型嵌入式場(chǎng)景
RV64I	64位整數(shù)指令集，兼容RV32I
RV128I	128位整數(shù)指令集，兼容RV64I和RV32I

RISC-V有六種基本指令格式：

R-type：用于寄存器-寄存器操作
I-type：用于短立即數(shù)和訪存 load 操作
S-type：用于訪存 store 操作
B-type：用于條件跳轉(zhuǎn)操作
U-type：用于長(zhǎng)立即數(shù)
J-type：用于無(wú)條件跳轉(zhuǎn)

????????指令只有6種格式，并且所有指令都是32位長(zhǎng)，指令的低7位固定為opcode，簡(jiǎn)化了指令解碼。在RISC-V中對(duì)于所有指令，要讀寫(xiě)的寄存器的標(biāo)識(shí)符總是在同一位置，意味著在解碼指令之前，就可以先開(kāi)始訪問(wèn)寄存器，這些格式的立即數(shù)字段總是符號(hào)擴(kuò)展，符號(hào)位總是在指令中最高位，各種類型的指令構(gòu)成如下圖所示：

RISC-V 指令集介紹,計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu),risc-v

字段含義：

opcode(操作碼)：指令的基本操作，這個(gè)縮寫(xiě)是它慣用名稱。
rd：目的操作寄存器，用來(lái)存放操作結(jié)果。
funct3：一個(gè)另外的操作碼字段。
rs1：第一個(gè)源操作數(shù)寄存器。
rs2：第二個(gè)源操作數(shù)寄存器。
funct7：一個(gè)另外的操作碼字段。
imm：立即數(shù)

2.1. R型指令

32bit R型指令包括6個(gè)部分：

opcode是操作碼，位寬7bit，在指令的0-6bit；
rd (Destination Register)是目的寄存器，位寬5bit，在指令的7-11bit；
funct3+funct7是兩個(gè)操作字段。funct3占了3bit，funct7占了7bit；
rs1 (Source Register 1)是第一個(gè)源操作數(shù)寄存器，位寬5bit，在指令的15-19bit；
rs2 (Source Register 2)是第二個(gè)源操作數(shù)寄存器，位寬5bit，在指令的25-31bit。

R型指令構(gòu)成如下：

RISC-V 指令集介紹,計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu),risc-v

R型的全部指令（RV32I）
RISC-V 指令集介紹,計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu),risc-v

R型指令包括加法、減法、邏輯運(yùn)算、移位運(yùn)算。

示例：
add a0, a1, a2  //a0 = a1 + a2
sub a0, a1, a2  //a0 = a1 - a2
sll a0, a1, a2  //a0 = a1 << a2(低位補(bǔ)0)
srl a0, a1, a2  //a0 = a1 >> a2(高位補(bǔ)0）
sra a0, a1, a2  //a0 = a1 >> a2 (算術(shù)右移，高位補(bǔ)原來(lái)的符號(hào)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個(gè)部分：

opcode是操作碼，位寬7bit，在指令的0-6bit；
rd (Destination Register)是目的寄存器，位寬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)是第一個(gè)源操作數(shù)寄存器，占了5bit，在指令的15-19bit；
存放12位的立即數(shù)——imm[11:0]，在指令的20-31bit。

I型指令構(gòu)成如下：

RISC-V 指令集介紹,計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu),risc-v

I型的全部指令（RV32I）

RISC-V 指令集介紹,計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu),risc-v

I型指令包括立即數(shù)的運(yùn)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(低位補(bǔ)0)
srli a0, a1, 0x05  //a0 = a1 >> 0x05(高位補(bǔ)0）
srai a0, a1, 0x05  //a0 = a1 >> 0x05 (算術(shù)右移，高位補(bǔ)原來(lái)的符號(hào)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

RISC-V 指令集介紹,計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu),risc-v

示例：
lb x10,  0(x1)  //將x1的值加上0,將這個(gè)值作為地址， 取出這個(gè)地址所對(duì)應(yīng)的內(nèi)存中的值， 將這個(gè)值賦值給x10(取出的是8位數(shù)值)
lh x10,  0(x1)  //從內(nèi)存中取出16位數(shù)值
lw x10, 0(x1)  //從內(nèi)存中取出32位數(shù)值
lbu x10, 0(x1) //從內(nèi)存中取出8位無(wú)符號(hào)數(shù)值
lhu x10, 0(x1) //從內(nèi)存中取出16位無(wú)符號(hào)數(shù)值

2.3. S型指令

S型指令包括6個(gè)部分：

opcode是操作碼，位寬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)是第一個(gè)源操作數(shù)寄存器，占了5bit，在指令的15-19bit；
rs2 (Source Register 2)是第二個(gè)源操作數(shù)寄存器，占了5bit，在指令的25-31bit。

S型指令構(gòu)成如下：

RISC-V 指令集介紹,計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu),risc-v

S型的全部指令（RV32I）

RISC-V 指令集介紹,計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu),risc-v

S型指令包括store指令。?

示例：
sb  x10, 0(x1)  //x1的值加上0,將這個(gè)值作為地址， 將x10的值存儲(chǔ)到上述地址所對(duì)應(yīng)的內(nèi)存中去 (只會(huì)將x10的值的低8位寫(xiě)入)
sh  x10, 0(x1)  //只會(huì)將x10的值的低16位寫(xiě)入
sw  x10, 0(x1)  //只會(huì)將x10的值的低32位寫(xiě)入

2.4. B型指令

B型指令包括6個(gè)部分：

opcode是操作碼，位寬7bit，在指令的0-6bit；
imm[4:1]+imm[11]+imm[10:5]+imm[12]；（注：imm[0]被丟棄，因?yàn)樗冀K為零）
funct3是操作字段。funct3占了3bit，在指令的12-14bit；
rs1 (Source Register 1)是第一個(gè)源操作數(shù)寄存器，占了5bit，在指令的15-19bit；
rs2 (Source Register 2)是第二個(gè)源操作數(shù)寄存器，占了5bit，在指令的25-31bit。

B型指令構(gòu)成如下：

RISC-V 指令集介紹,計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu),risc-v

B型的全部指令（RV32I） RISC-V 指令集介紹,計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu),risc-v

B型指令包括條件跳轉(zhuǎn)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個(gè)部分：

opcode是操作碼，位寬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位的立即數(shù)——imm[31:12]，在指令的12-31bit。

U型指令構(gòu)成如下：

RISC-V 指令集介紹,計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu),risc-v

U型的全部指令（RV32I） RISC-V 指令集介紹,計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu),risc-v

示例：
lui  x10, 0x65432 //得到立即數(shù)的高20位，低位補(bǔ)0，立即數(shù)范圍為：0x00~0xFFFFF

2.6. J型指令

J型指令包括3個(gè)部分：

opcode是操作碼，位寬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；
立即數(shù)劃分：imm[19:12]+imm[11]+imm[10:1]+imm[20]:

J型指令構(gòu)成如下： RISC-V 指令集介紹,計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu),risc-v

J型的全部指令（RV32I）

RISC-V 指令集介紹,計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu),risc-v

示例：
jal ra, symbol    // 跳轉(zhuǎn)到Symbol中去, 并把ra設(shè)置成返回地址 Symbol 可以是自定義的Label ,也可以是某個(gè)函數(shù)名
jal ra, 100       // 跳轉(zhuǎn)到pc + 100 * 2的地方中去, 并把ra設(shè)置成返回地址  pc相對(duì)尋址，對(duì)應(yīng)的是位置無(wú)關(guān)代碼（PIC)
jalr ra, 40(x10)  // 跳轉(zhuǎn)到x10+40 的地方中去, 并把ra設(shè)置成返回地址x10+40必須是絕對(duì)地址，指向內(nèi)存中某個(gè)確定的地方（往往是函數(shù)的開(kāi)頭），非PIC

3. 通用寄存器

RV32I有32個(gè)通用寄存器，以及一個(gè)PC寄存器。其中有一個(gè)通過(guò)硬件設(shè)置的值恒為 0 的 x0 寄存器

RISC-V 指令集介紹,計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu),risc-v

注：RISC-V的32個(gè)寄存器x0～x31是用0～31這些數(shù)字來(lái)表示。

參考文檔、博客：

RISC-V官方文檔

riscv指令集基礎(chǔ)_konghhhhh的博客-CSDN博客

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)（五）之RISC-V指令集_riscv指令集_深度學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)僧的博客-CSDN博客

RISC-V指令集_riscv指令集_點(diǎn)燈大師～的博客-CSDN博客文章來(lái)源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-621039.html

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2024年04月09日
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2024年02月12日
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緩存是一種高速的存儲(chǔ)器，用于存放處理器經(jīng)常訪問(wèn)的數(shù)據(jù)和指令。緩存的組織方式有多種，其中一種是按照不同的關(guān)聯(lián)度(associativity)來(lái)劃分。關(guān)聯(lián)度表示一個(gè)緩存塊(block)可以放在緩存中的位置數(shù)。關(guān)聯(lián)度越高，緩存中可以容納的不同塊的數(shù)量越多，從而減少了沖突不命中
2024年02月13日
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計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)知識(shí)介紹之緩存性能的十大進(jìn)階優(yōu)化之編譯器優(yōu)化和硬件預(yù)?。?/a>
處理器和主內(nèi)存之間不斷擴(kuò)大的性能差距促使編譯器編寫(xiě)者仔細(xì)檢查內(nèi)存層次結(jié)構(gòu)，看看編譯時(shí)優(yōu)化是否可以提高性能。再次，研究分為指令缺失的改進(jìn)和數(shù)據(jù)缺失的改進(jìn)。接下來(lái)介紹的優(yōu)化可以在許多現(xiàn)代編譯器中找到。有些程序具有嵌套循環(huán)，以非連續(xù)的順序訪問(wèn)內(nèi)存中
2024年02月12日
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2024年02月15日
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硬件預(yù)取的替代方案是編譯器在處理器需要數(shù)據(jù)之前插入預(yù)取指令來(lái)請(qǐng)求數(shù)據(jù)。預(yù)取有兩種類型： ■ 寄存器預(yù)取將值加載到寄存器中。 ■ 高速緩存預(yù)取僅將數(shù)據(jù)加載到高速緩存。這兩種類型都可以分為有錯(cuò)或無(wú)錯(cuò)的，即預(yù)取的地址是否會(huì)導(dǎo)致虛擬地址錯(cuò)誤或保護(hù)錯(cuò)誤的異
2024年02月13日
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計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)知識(shí)介紹之緩存性能的十大進(jìn)階優(yōu)化之減少命中時(shí)間和流水線訪問(wèn)和多組緩存增加帶寬（三）
路預(yù)測(cè)是一種高速緩存優(yōu)化技術(shù)，它在高速緩存中保存額外的位來(lái)預(yù)測(cè)下一次高速緩存訪問(wèn)的路（或者組內(nèi)的塊）。這種預(yù)測(cè)可以提前設(shè)置多路選擇器來(lái)選擇期望的塊，并且在那個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，只進(jìn)行一次標(biāo)記比較，同時(shí)讀取高速緩存數(shù)據(jù)。如果預(yù)測(cè)正確，高速緩存訪問(wèn)延遲
2024年02月12日
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計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)知識(shí)介紹之緩存性能的十大進(jìn)階優(yōu)化之關(guān)鍵詞優(yōu)先和提前重啟以減少失誤處罰、合并寫(xiě)入緩沖區(qū)以減少懲罰（五）
處理器通常一次只需要緩存塊中的一個(gè)字（word）。不要等待整個(gè)塊被加載，而是在請(qǐng)求的字到達(dá)后就立即發(fā)送給處理器，并讓處理器繼續(xù)執(zhí)行，同時(shí)填充塊中的其他字。這兩種具體的策略是：優(yōu)先（Critical word first）——從內(nèi)存中先請(qǐng)求缺失的字，并在它到達(dá)后立即發(fā)
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2024年02月10日
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計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)
目錄第一章基本概念 1.虛擬計(jì)算機(jī) 2.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的定義 3.佛林（Flynn）分類法 4.Amdahl定律 5.CPU性能公式 6.程序訪問(wèn)的局部性原理第二章指令系統(tǒng) 1.數(shù)據(jù)表示與數(shù)據(jù)類型 2.浮點(diǎn)數(shù)的表示方式 3.編址方式 4.尋址方式 5.指令系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)? 6.Huffman編碼法 7.拓展編碼 8.兩種方
2024年02月06日
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