RISC-V基本32位整数指令集（RV32I）概述

robin.zhu · 发表于 2020-3-22 22:30:09

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本帖最后由 robin.zhu 于 2020-3-23 00:10 编辑

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RISC-V基本32位整数指令集（RV32I）概述

RISC-V的指令集采用模块化划分，本文只讨论RISC-V基本32位整数指令集（RV32I）, 文档参考riscv.org的指令集标准文档。
基本处理器有32位通用寄存器x0~x31和PC寄存器。x0是常数0只读寄存器（用于简化译码器和ALU格式），x1往往作为函数返回地址寄存器，x2往往作为栈指针.

1 RV32I概要(47条)
      RISC-V指令集已经基本固定，其中32位整数指令集是最基本也是必须实现的核心指令集。
      一共有47条。大致分类如下，具体指令格式以及参数说明在后续章节详解。
1.1 用于系统相关指令10条，包括：
      1.1.1 FENCE类指令，目标是在没有MMU的情况下，多线程运行的环境下，运行中内存模式一致性。包括FENCE, FENCE.I共2条指令
      1.1.2 ECALL，EBREAK，系统调用指令。目的是实现操作系统必须的系统调用支持。包含ECALL,EBREAK共2条指令
      1.1.3 CSR（控制和状态寄存器）类指令，目标是对系统状态的维护和调用。包含CSRRW，CSRRS，CSRRC，CSRRWI，CSRRSI，CSRRCI共6条指令
1.2 用户程序指令37条，包括：
      1.2.0 立即数指令，目的是辅助对寄存器完成立即数装载，包含LUI,AUIPC共2条指令
      1.2.1 跳转类指令，目的是完成程序的分支，包括无条件跳转和有条件跳转。包含JAL,JALR,BEQ,BNE,BLT,BGE,BLTU,BGEU共8条指令
      1.2.1 LOAD类指令，目标是从内存和MAPPING IO组成的存储器装载数据到寄存器。包含LB，LBU，LH，LHU，LW共5条指令
      1.2.2 STORE类指令，目标是从寄存器存储数据到内存和MAPPING IP组成的存储器。包含SB，SH，SW共3条指令
      1.2.3 核心ALU类指令，目标是在寄存器内加上可能存在的立即数参数进行比较、算数运算、逻辑运算、移位操作。共19条。可进一步细分为：
            比较操作：SLT，SLTI，SLTU，SLTIU
            逻辑运算：AND，ANDI，OR，ORI，XOR，XORI
            移位操作：SRA，SRAI，SRL，SRLI，SLL，SLLI
            算数操作：ADD，ADDI，SUB

2.RV32I指令格式
      2.1 RV32I，47条指令均为为32位定长指令。
      为了RISC-V CORE内部译码实现的方便，所有的RV32I指令都可以看成对齐的6段结构组成：
      IZ[31:25]|RSI2[24:20]|RSI1[19:15]|FUNCT3[14:12]|RDI[11:7]|OPCODE[6:0]
      对于RV32I，OPCODE最低2位是1。如果不是，则是其他子集的指令或者非法指令，比如00，01，10都属于16位压缩指令。
      对于OPCODE[6:2]有定义的值是：
            00000：LOAD类
            00011：FENCE类
            00100：ALU类含立即数参数操作
            00101：AUIPC
            01000：STORE类；
            01100：ALU类3寄存器参数操作（即ALU指令中助记符不以I结尾的指令）
            01101：LUI
            11011：跳转类
            11100：ECALL，EBREAK，CSR类
      2.2 从格式上，RV32I的47条共分为R，I，S，U四类，部分指令的部分参数需要多段组合形成。

      R（3寄存器ALU操作，立即数移位操作也属于特殊类型I指令）
      I（ALU类含立即数参数操作，但不包含立即数移位操作，JALR）
      S（条件跳转操作，STORE操作）
      U（LUI，AUIPC，JAL)
      具体格式如下：
      31                      25 | 24       20 | 19             15 | 14       12 | 11       7 | 6       0
      funct7                      | rs2          |  rs1                | funct3    | rd          | opcode                R-type
      imm[11:0]                                     | rs1                | funct3    | rd          | opcode             I-type
      imm[11:5]                |rs2             |  rs1                | funct3    | imm[4:0]  | opcode             S-type
      imm[31:12]                                                                            | rd          | opcode             U-type

      2.3 立即数操作
      立即数的高20位是通过LUI加载的，如果立即数对应地址空间，那么地址可以看成段页式。具体作用就是页内只有12位地址空间（4K字节）段有1M个空间，和在一切就是32位的4G空间。
      AUIPC则是PC现有值加上12位立即数存入RD寄存器。如果立即数为0，则直接取PC寄存器当前值。

3.RV32I指令列表说明（待续）