【读书】《RISC-V开放架构设计之道》2.基础指令集RV32I
<div class='showpostmsg'> 本帖最后由 电子烂人 于 2024-11-9 16:14 编辑<p>RISC-V可以根据不同的应用需求，通过模块化的方式组合不同的指令集扩展。RISC-V架构的主要类别包括以下几种：</p>
<ol>
<li>
<p><strong>基础指令集（Base ISA）</strong>：</p>
<ul>
<li>RV32I：32位基础整数指令集。</li>
<li>RV64I：64位基础整数指令集。</li>
<li>RV128I：128位基础整数指令集（目前还在开发中）。</li>
</ul>
</li>
<li>
<p><strong>标准扩展（Standard Extensions）</strong>：</p>
<ul>
<li>M：乘法和除法扩展。</li>
<li>A：原子操作扩展。</li>
<li>F：单精度浮点扩展。</li>
<li>D：双精度浮点扩展。</li>
<li>Q：四精度浮点扩展（目前还在提议阶段）。</li>
<li>C：压缩指令扩展，旨在减少代码大小。</li>
<li>V：向量扩展，用于高性能计算。</li>
</ul>
</li>
<li>
<p><strong>特权架构扩展（Privileged Architecture Extensions）</strong>：</p>
<ul>
<li>Machine Level（M-Mode）：用于运行操作系统内核和 hypervisor。</li>
<li>Supervisor Level（S-Mode）：用于运行操作系统。</li>
<li>User Level（U-Mode）：用于运行用户应用程序。</li>
</ul>
</li>
<li>
<p><strong>定制化扩展（Custom Extensions）</strong>：</p>
<ul>
<li>用户可以根据自己的需求定义定制化的指令集扩展，通常以“X”开头。</li>
</ul>
</li>
</ol>
<p><span style="font-size:18px;"><strong>这里我们先详细的讲一下最基础的两种指令集之一：RV32I</strong></span></p>
<p>Rv32I 的设计哲学在于“精简”，只需要处理最核心的几个功能，设计目标是简单、高效、模块化，易于理解和实现。它提供了足够的指令来执行通用计算任务，同时保持了指令集的简洁性。</p>
<p>RV32I指令集支持以下几种指令格式：</p>
<ol>
<li><strong>R型（Register）</strong>：用于寄存器到寄存器的操作。</li>
<li><strong>I型（Immediate）</strong>：用于立即数与寄存器之间的操作。</li>
<li><strong>S型（Store）</strong>：用于将寄存器的值存储到内存中。</li>
<li><strong>B型（Branch）</strong>：用于条件分支。</li>
<li><strong>U型（Upper immediate）</strong>：用于加载大立即数。</li>
<li><strong>J型（Jump）</strong>：用于无条件跳转。</li>
</ol>
<h3>寄存器</h3>
<p>RV32I定义了32个通用寄存器，每个寄存器宽度为32位。其中，寄存器x0被硬编码为0，通常用于表示常量0。</p>
<h3>指令集</h3>
<p>以下是RV32I指令集的一些主要指令：</p>
<p> </p>
<p>这个代码卡的阅读顺序是每一段英文的开头字母，合成为一段具体指令</p>
<h4>Load和Store指令</h4>
<p><code class="hljs">lb</code></p>
<p>（load byte）：从内存中加载一个字节到寄存器，符号扩展到32位。</p>
<p><code class="hljs">lh</code></p>
<p>（load half）：从内存中加载一个半字（16位）到寄存器，符号扩展到32位。</p>
<p><code class="hljs">lw</code></p>
<p>（load word）：从内存中加载一个字（32位）到寄存器。</p>
<p><code class="hljs">lbu</code></p>
<p>（load byte unsigned）：从内存中加载一个字节到寄存器，零扩展到32位。</p>
<p><code class="hljs">lhu</code></p>
<p>（load half unsigned）：从内存中加载一个半字到寄存器，零扩展到32位。</p>
<h4>算术和逻辑指令</h4>
<p>包含简单的<span style="font-family:Arial;">加减和一些逻辑运算，是构成计算的最基础部分。</span>这些指令也有对应的立即数操作的。</p>
<p>算数指令：</p>
<p><code class="hljs">add</code></p>
<p>：加法。</p>
<p><code class="hljs">sub</code></p>
<p>：减法。</p>
<p>逻辑指令：</p>
<p><code class="hljs">xor</code></p>
<p>：异或。</p>
<p><code class="hljs">or</code></p>
<p>：或。</p>
<p><code class="hljs">and</code></p>
<p>：与。</p>
<p><code class="hljs">sll</code></p>
<p>（shift left logical）：逻辑左移。</p>
<p><code class="hljs">srl</code></p>
<p>（shift right logical）：逻辑右移。</p>
<p><code class="hljs">sra</code></p>
<p>（shift right arithmetic）：算术右移。</p>
<h4>立即数操作：</h4>
<p><strong>立即数</strong>是一个固定值，通常是一个小的整数，它作为指令的一部分直接编码在指令中，比如：</p>
<pre>
<code>addi rd, rs1, imm</code></pre>
<p>这条指令代表寄存器<span style="background-color: rgb(250, 250, 250); color: rgb(56, 58, 66); font-family: "Source Code Pro", "DejaVu Sans Mono", "Ubuntu Mono", "Anonymous Pro", "Droid Sans Mono", Menlo, Monaco, Consolas, Inconsolata, Courier, monospace, "PingFang SC", "Microsoft YaHei", sans-serif; font-size: 12px;">rs1</span>的值与立即数<span style="background-color: rgb(250, 250, 250); color: rgb(56, 58, 66); font-family: "Source Code Pro", "DejaVu Sans Mono", "Ubuntu Mono", "Anonymous Pro", "Droid Sans Mono", Menlo, Monaco, Consolas, Inconsolata, Courier, monospace, "PingFang SC", "Microsoft YaHei", sans-serif; font-size: 12px;">imm</span>相加（运算），结果存储在寄存器<span style="background-color: rgb(250, 250, 250); color: rgb(56, 58, 66); font-family: "Source Code Pro", "DejaVu Sans Mono", "Ubuntu Mono", "Anonymous Pro", "Droid Sans Mono", Menlo, Monaco, Consolas, Inconsolata, Courier, monospace, "PingFang SC", "Microsoft YaHei", sans-serif; font-size: 12px;">rd</span>中。</p>
<p><code class="hljs">addi</code></p>
<p>：立即数加法。</p>
<p><code class="hljs">xori</code></p>
<p>：立即数异或。</p>
<p><code class="hljs">ori</code></p>
<p>：立即数或。</p>
<p><code class="hljs">andi</code></p>
<p>：立即数与。</p>
<p><code class="hljs">slli</code></p>
<p>：立即数逻辑左移。</p>
<p><code class="hljs">srli</code></p>
<p>：立即数逻辑右移。</p>
<p><code class="hljs">srai</code></p>
<p>：立即数算术右移。</p>
<h4>分支指令</h4>
<p>RV32I可以实现简单的比较操作：</p>
<p><code class="hljs">beq</code></p>
<p>：相等则分支。</p>
<p><code class="hljs">bne</code></p>
<p>：不等则分支。</p>
<p><code class="hljs">blt</code></p>
<p>：小于则分支。</p>
<p><code class="hljs">bge</code></p>
<p>：大于或等于则分支。</p>
<p><code class="hljs">bltu</code></p>
<p>：无符号小于则分支。</p>
<p><code class="hljs">bgeu</code></p>
<p>：无符号大于或等于则分支。</p>
<h4>跳转和链接指令</h4>
<p>RV32I不支持复杂的过程调用，故有跳转链接</p>
<p><code class="hljs">jal</code></p>
<p>（jump and link）：无条件跳转，并将返回地址存储在寄存器x1（ra）中。</p>
<p><code class="hljs">jalr</code></p>
<p>（jump and link register）：跳转指令的寄存器版本，通过寄存器加立即数偏移进行跳转，并将返回地址存储在寄存器x1（ra）中。</p>
<h4>系统指令</h4>
<p>包含ecall 、ebreak和 fence、fence.i四个指令</p>
<p><code class="hljs">ecall</code></p>
<p>：环境调用，用于触发操作系统服务。</p>
<p><code class="hljs">ebreak</code></p>
<p>：环境断点，用于触发调试器。</p>
<pre>
<code>fence</code></pre>
<p>对外部可见的设备I/O和访问存储请求进行定序。</p>
<pre>
<code>fence.i</code></pre>
<p>用于同步指令和数据流</p>
<p> </p>
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