【读书】《RISC-V开放架构设计之道》2.基础指令集RV32I

电子烂人

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本帖最后由电子烂人于 2024-11-9 16:14 编辑

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：

基础指令集（Base ISA）：
- RV32I：32位基础整数指令集。
- RV64I：64位基础整数指令集。
- RV128I：128位基础整数指令集（目前还在开发中）。
标准扩展（Standard Extensions）：
- M：乘法和除法扩展。
- A：原子操作扩展。
- F：单精度浮点扩展。
- D：双精度浮点扩展。
- Q：四精度浮点扩展（目前还在提议阶段）。
- C：压缩指令扩展，旨在减少代码大小。
- V：向量扩展，用于高性能计算。
特权架构扩展（Privileged Architecture Extensions）：
- Machine Level（M-Mode）：用于运行操作系统内核和 hypervisor。
- Supervisor Level（S-Mode）：用于运行操作系统。
- User Level（U-Mode）：用于运行用户应用程序。
定制化扩展（Custom Extensions）：
- 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。

这里我们先详细的讲一下最基础的两种指令集之一：RV32I

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。

RV32I指令集支持以下几种指令格式：

R型（Register）：用于寄存器到寄存器的操作。
I型（Immediate）：用于立即数与寄存器之间的操作。
S型（Store）：用于将寄存器的值存储到内存中。
B型（Branch）：用于条件分支。
U型（Upper immediate）：用于加载大立即数。
J型（Jump）：用于无条件跳转。

寄存器

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。

指令集

以下是RV32I指令集的一些主要指令：

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

Load和Store指令

lb

（load byte）：从内存中加载一个字节到寄存器，符号扩展到32位。

lh

（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。

lw

（load word）：从内存中加载一个字（32位）到寄存器。

lbu

（load byte unsigned）：从内存中加载一个字节到寄存器，零扩展到32位。

lhu

（load half unsigned）：从内存中加载一个半字到寄存器，零扩展到32位。

算术和逻辑指令

包含简单的加减和一些逻辑运算，是构成计算的最基础部分。这些指令也有对应的立即数操作的。

算数指令：

add

：加法。

sub

：减法。

逻辑指令：

xor

：异或。

or

：或。

and

：与。

sll

（shift left logical）：逻辑左移。

srl

（shift right logical）：逻辑右移。

sra

（shift right arithmetic）：算术右移。

立即数操作：

立即数是一个固定值，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：

addi rd, rs1, imm

这条指令代表寄存器rs1的值与立即数imm相加（运算），结果存储在寄存器rd中。

addi

：立即数加法。

xori

：立即数异或。

ori

：立即数或。

andi

：立即数与。

slli

：立即数逻辑左移。

srli

：立即数逻辑右移。

srai

：立即数算术右移。

分支指令

RV32I可以实现简单的比较操作：

beq

：相等则分支。

bne

：不等则分支。

blt

：小于则分支。

bge

：大于或等于则分支。

bltu

：无符号小于则分支。

bgeu

：无符号大于或等于则分支。

跳转和链接指令

RV32I不支持复杂的过程调用，故有跳转链接

jal

（jump and link）：无条件跳转，并将返回地址存储在寄存器x1（ra）中。

jalr

（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。

系统指令

包含ecall 、ebreak和 fence、fence.i四个指令

ecall

：环境调用，用于触发操作系统服务。

ebreak

：环境断点，用于触发调试器。

fence

对外部可见的设备I/O和访问存储请求进行定序。

fence.i

用于同步指令和数据流

秦天qintian0303

RV32I指令集的指令格式还挺多的