RISC-V RV32I 基本6种指令集

皋陶

RISC-V 的RV32I是最基本的指令集，包括6种,其中4种核心的类型（R/I/S/U）。

本文是参考文档：The RISC-V Instruction Set Manual Volume I: Unprivileged ISA Document Version 20191213

RISC-V的指令集有以下几个特点：

• 非常的规整，可以看到rs1和rs2都作为数据源寄存器，同时rd一直作为目标寄存器。然后这三个寄存器在6种类型指令中的位置是固定的！这使得硬件解码非常简单。
• 立即数的最高位一直在最左边，这方便了做符号位的拓展。
• 相比与arm，将指令放不下的立即数放进常量池然后用load去读。risc v用的是两条指令，先用U type读高20位的数据，然后再用加法加上低12位。这使得不用去访问外部存储也能处理高位宽的常数。
• 立即数默认都是有符号数的，都需要符号拓展。
• B类型和S类型的差别，是B的立即数是S的立即数*2，但是为了保证第2个特点，同时保持最多的位的位置保持不变，比如指令的6到11位，仅仅改变了第6位从S的imm[0]变为imm[11]。这也是方便了硬件解码，但是苦逼了编译器。
• U类型和J类型同第五点。
• 讲多一个，常用寄存器有一个x0，他的值一直为0，这个当你指令不需要一个寄存器就用它，或者用x0实现一些特殊的指令，比如ADDI x0, x0, 0，就是啥也不干。
  
  

接下来讲几种整数运算指令

整体就是寄存器-立即数用I类型指令，寄存器-寄存器用R类型指令。

寄存器-立即数运算

比如

ADDI rd, rs1, imm：就是REG[rd] = REG[rs1] + $signed(imm);

SLTI (set less than immediate) rd, rs1, imm：就是当REG[rs1]比$signed(imm)小的时候，REG[rd]为1，否则为0，有符号比较。

SLTIU跟SLTI差不多，不过是无符号数比较。

ANDI, ORI, XORI是逻辑操作，（有符号数）。ANDI rd, rs1, imm：REG[rd] = REG[rs1] & imm

移位操作也是编译成I type的。移位的位数是imm[4:0]，所以一次指令最多可以移动32位，跟寄存器的位宽一样。

SLLI：是逻辑左移，低位补零
SRLI：是逻辑右移, 高位补零
SRAI：是算术右移，高位补原来高位。

（这里我有个问题，原文是说The right shift type is encoded in bit 30，所以按说应该右移类型的第30位应该是1，左移是0吼，但又好像不太是。anyway）

LUI (load upper immediate)： LUI rd imm。就是REG[rd] [31:12] = imm。

REG[rd] [11:0] = 0。就是把imm赋给rd的高20位，然后低12位补零。

一般后面加一个addi的指令，把低12位的值给上。

这样子，通过两条指令，就把一个32位的imm赋给了寄存器啦。

AUIPC (add upper immediate to pc)：就是在LUI的基础上，再加上这个命令的pc地址。同样后面再加一个12位的加法，就可以寻址到任何位置的指令的地址啦。

整数的寄存器-寄存器运算指令

这种就比较简单了，都是把rs1，rs2寄存器里面的值运算一下，然后将结果给rd就完事了。

ADD就是加，SUB就是减，都不考虑溢出的哦。

SLT和SLTU分别是有符号比较和无符号数比较，rs1<rs2的话，rd为1，否则为0。

SLL, SRL, and SRA就是逻辑左，逻辑右，算术右的运算，是rs1进行移位，移动的位数是rs2的低5位。

控制指令

控制指令就是if else这种分支跳转的指令了，这个玩意复杂可以很复杂，我这里就是简单介绍一下指令。

非条件跳转

JAL：就是pc指针跳转到当前位置加上{$signed(imm[20:1])，0}，这是J型，你软件给说JAL rd 16，其实实现的是pc = pc + 32。然后将pc + 4这个值赋给rd存放好到时候要返回来的地址。imm是2个字节对齐的，20位就是2MB的寻址空间了，imm有符号数的哦。

JALR功能跟JAL差不多，比如JALR rd rs1 imm，那就是pc = REG[rs1] +imm。然后把最低有效的位置0。

条件跳转指令

所有的条件跳转都是B类型的指令。B类型的imm都是2字节对齐的。

BEQ and BNE分别当rs1和rs2相等和不相等时，跳转。否则就不跳。

BLT and BLTU 分别是有符号数比较和无符号数比较，当rs1<rs2时候就跳，否则不跳

BGE and BGEU 分别是有符号数比较和无符号数比较，当rs1>=rs2时候就跳，否则不跳

再强调哦，跳转分支我这里只是说明一下指令，具体有一些预测分支啊，应用啊，link啊啥的。

load and store 指令

RISC V的load 和store指令也是一个特色哦，就是load和store只能通过寄存器来操作，就是一定要把地址放在在寄存器里面，然后load这个寄存器的地址读取memory里面的数据。

LOAD从mem读取一个32位的数据到rd。地址是REG[rs1] + imm

STORE 是把rs2里面的数据放到地址是REG[rs10] + imm

LH 从mem读取一个16位的数据，然后符号拓展到32位，再放到rd中

LHU 从mem读取一个16位的数据，然后高位补0到32位，再放到rd中

LB and LBU 同理处理8位的数据

SW, SH, and SB同理分别sore 32,16,8位的数据。

总结

RV32I是RISC V最基本的指令集类型，还有一些低功耗的呀，高性能的呀啥的，RV32I指令集的特点是特别规整，这加大了额外的编辑器的工作量，比如B指令啥的，但是却简化的硬件设计，应该还是非常值得的呀。

RV32I一共有40条指令，我这里一共介绍了33条指令，后面还有一些memory order，environment call and breakpoints，HINT的，稍稍复杂，怕讲的太误人了。我这里也不一定正确，请多指教。

本篇完，感谢关注：RISC-V单片机中文网