RISC-V指令集介绍 - 整数基本指令集

火辣西米秀

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在修改 picorv32 核心（一个riscv-32的cpu核心），阅读了一下riscv指令集的手册。
在此，做一下简单记录。

RV32I：32位risc-v整数指令集

1. 寄存器
        32个x寄存器，RV32下x reg是32位宽
        x0：硬连线 常数0
        x1-x31：31个通用reg
        返回地址：没有强制要求那一个x作为lr，但是一般用x1
        pc：额外的用户可见寄存器

3. 基本指令格式
        四种基础指令格式 R/I/S/U
        imm：立即数
        rs1：源寄存器1
        rs2：源寄存器2
        rd：目标寄存器
        opcode：操作码
       
4. 立即数
        各种指令格式下，拼装出立即数
        inst[i]：指令第i位
       
5. 整数计算
        使用R或者I类指令
        R类：寄存器-立即数
        I类：寄存器-寄存器
        整数计算不会造成运算异常
       
        寄存器-立即数:
                ADDI：将12位有符号立即数和rs相加，溢出忽略，直接使用结果的最低32bit，并存入rd
                        伪指令MV："MV rd,rs"实际上是"ADDI rd, rs, 0"
                SLTI：如果rs小于立即数(都是有符号整数),将rd置1,否则置0
                SLTIU：和SLTI一致，不过都是无符号数
                        伪指令SEQZ："SEQZ rd, rs" 实际上是 "SLTIU rd, rs1, 1"
                ANDI/ORI/XORI：rs与有符号12位立即数进行and,or,xor操作
                        伪指令NOT："NOT rd, rs"实际上是"XORI rd, rs1, -1"
               
                shift是I类指令格式
                        SLLI：逻辑左移，低位移入0
                        SRLI：逻辑右移，高位移入0
                        SRAI：算数右移，符号移入高位
               
                u类指令格式
                        LUI：创建32位无符号整数，存放立即数到rd的高20位，低20位置0
                        AUIPC：创建pc的相对地址，pc+无符号立即数(偏移量)=>rd               
       
        寄存器-寄存器:
                ADD/SUB:rs1(+/-)rs2 => rd
                SLT/SLTU: 如果rs1<rs2，rd写1; 否则rd为0
                AND/OR/XOR: rs1与rs2进行and,or,xor操作
                SLL/SRL/SRA: 和"寄存器-立即数"指令一致，将r2的低5位作为立即数即可               
       
        NOP指令:
                实际上是ADDI x0,x0,0
       
6. 控制传输指令
        1）非条件跳转:
                JAL：J类指令，立即数+pc为跳转目标，rd存放pc+4（返回地址）
                        跳转范围为pc(+/-)1MB
                JALR：I类指令，rs+立即数为跳转目标，rd存放pc+4（返回地址）
                        实现远跳转
       
        2）条件跳转
                所有分支指令使用B类指令格式，12位立即数+pc作为目标
                跳转范围为pc(+/-)4KB
               
                BEQ/BNE：rs1(==/!=)rs2, 分别在相等或者不等时，发生跳转
                BLT：rs1 < rs2, 跳转
                BGE：rs1 >= rs2, 跳转
               
7. 加载存储指令
        RV32I是一个加载/存储架构，只有load/store能访问内存，运算指令只操作寄存器
        load是I类指令，store是S类指令
       
        LOAD：rs作为基地址，加上有符号的偏移，读取到rd寄存器
        STORE：rs1作为基地址加上有符号的偏移，作为内存地址，写入内容为rs2
       
8. 内存模型
        RISC-V ISA支持单地址空间上多线程运行，每个hardware thread都有都有自己的寄存器状态
       
9. 控制状态寄存器指令
                寄存器-寄存器：读/写/修改 CSR
                        CSRRW：Atomic Read/Write CSR
                                读取CSR的值存入rd寄存器，并将rs存入CSR
                                另外：如果rd为x0,将不会执行       
                       
                        CSRRS：Atomic Read and Set Bits in CSR
                                读取CSR的值存入rd寄存器，并根据rs中高位对CSR置1
                                另外：如果rs为x0,将不会执行       
                       
                        CSRRC：Atomic Read and Clear Bits in CSR
                                读取CSR的值存入rd寄存器，并根据rs中高位对CSR置0
                                另外：如果rs为x0,将不会执行       

                立即数-寄存器：读/写/修改 CSR
                        CSRRWI/CSRRSI/CSRRCI
                        将CSRRW类寄存器中的rs换成立即数
                        另外：如果立即数为0,将不会执行       

                用户级系统指令：时钟和计数器
                        RV32I提供三个64位只读用户级寄存器：RDCYCLE[H]/RDTIME[H]/RDINSTRET[H]
                        使用CSRRS读取这三个寄存器的高32 bit
                       
                        RDCYCLE：时钟周期计数
                        RDTIME：时间 tick数
                        RDINSTRET：指令数
                       
10. 环境调用和断点
        ECALL
        EBREAK