RISC-V指令格式

RISC-V指令格式

  • [1 RISC-V指令集命名规范](#1 RISC-V指令集命名规范)
  • [2 RISC-V指令集组成](#2 RISC-V指令集组成)
    • [2.1 基础整数指令集](#2.1 基础整数指令集)
    • [2.2 扩展指令集](#2.2 扩展指令集)
  • [3 RISC-V指令格式](#3 RISC-V指令格式)
    • [3.1 指令表述](#3.1 指令表述)
    • [3.2 指令格式](#3.2 指令格式)

本文属于《 RISC-V指令集基础系列教程》之一,欢迎查看其它文章。

1 RISC-V指令集命名规范

前面提到过RV32I,这是什么含义呢?

我们看看RISC-V的命名规范,是如何定义的,就明白了。

RISC-V命名规范:RV[###][abc......xyz]

  • RV:用于标识 RISC-V 体系架构的前缀,即 RISC-V 的缩写。
  • [###]:用于标识处理器的字宽,也就是 处理器的寄存器宽度(单位为 bit),通常可以为32、64、128。
  • [abc...xyz]:标识该处理器支持的,指令集模块集合。

因此,RV32I,表示RISC-V的32位整数指令集,它是RISC-V 的核心,是冻结的,永远不会改变。

也就是说,RISC-V的所有指令集合名称,全部是以RV打头,加位宽,加模块名来组成的,后续识别也就很简单了。

2 RISC-V指令集组成

RISC-V指令集,是以一个基础整数指令集 ,为核心模块,根据需要再选择多个扩展指令集,组合而成的。

用一个公式简单表达,即:

cpp 复制代码
RISC-V指令集 = 1个基础整数指令集 + 多个可选的扩展指令集

在RISC-V指令集架构中,G表示通用组合,全称为RV32G(32位)或RV64G(64位)。这个通用组合由一系列指令子集模块组成,其中包括I、M、A、D、F等模块。这些模块组合在一起,形成一个完整的指令集。

因此,G是RISC-V指令集架构中通用处理器所包含的指令集的表示。

也就是说,用公式表示,即:

cpp 复制代码
G = I + M + A + D + F

I表示基础整数指令集;M/A/D/F表示具体扩展指令集,含义见后续。

2.1 基础整数指令集

基础指令集是固定的,永远不会改变。扩展指令集类似一种插件的思想。

RISC-V协议规定的,基础整数指令集,一共有4种,如下所示:

高字长的基础整数指令集向下兼容。

其中嵌入式指令集(Embedded)是基础整数指令集的子集,在一些小型的嵌入式场景中适用。

设计时,只需要从4种指令集中,任选一种即可。

目前RV128I,需要根据实际使用来改进设计规范,因此尚未冻结。

2.2 扩展指令集

RISC-V 允许在实现中以可选的形式实现,其他标准化和非标准化的指令集扩展。

RISC-V协议规定的,扩展指令集,就比较多了,如下所示:

  • M:乘法和除法指令(RV32M,RV64M)
  • A:原子指令(RV32A,RV64A)
  • F:单精度浮点指令(RV32F,RV64F)
  • D:双精度浮点指令(RV32D,RV64D)

特定组合"IMAFD"被称为 "通用(General)"组合,用英文字母 G 表示,比如:

它们与RV32I统称为RV32G ,或者与RV64I统称为RV64G

RV32G,表示32位RISC-V通用处理器,指令集组合。

RV64G,表示64位RISC-V通用处理器,指令集组合。

3 RISC-V指令格式

3.1 指令表述

在RISC-V中,指令是通过如下图方式,表述的:

图中,从左到右连接带下划线的字母,即可描述若干条指令。

  • 大括号{ } 内列举了每组指令的所有变体。
  • 这些变体通过带下划线的字母,和不表示任何字母的下划线_ 区分。

例如,上图表示slt、slti、sltu、sltiu 这4 条RV32I 指令。

3.2 指令格式

RISC-V 只有6 种指令格式,每条指令都是32 位。

  • R 型指令,用于寄存器间操作
  • I 型指令,用于短立即数和取数(load)操作
  • S 型指令,用于存数(store)操作
  • B 型指令,用于条件分支跳转
  • U 型指令,用于长立即数
  • J 型指令,用于无条件跳转

这6 种指令格式定义,如下图所示:

  • opcode,表示操作码,固定占用[6:0]。
  • rd (Destination Register),表示目的寄存器,固定占用[11:7](若存在)。
  • funct3,表示操作字段,固定占用[14:12](若存在)。
  • funct7,表示操作字段,固定占用[31:25](若存在)。
  • rs1 (Source Register #1),表示第一个源操作数寄存器,固定占用[19:15](若存在)。
  • rs2 (Source Register #2),表示第二个源操作数寄存器,固定占用[24:20](若存在)。
  • imm,表示立即数,位域位置不固定,不同类型指令有不同定义。

RISC-V的所有指令,全部都是基于这6种格式来建立的。

为帮助程序员,所有位全为0 的指令,是一条非法的指令。因此,错误地易于编程/编译/链接跳转到被清零的内存区域将立即触发自陷,从而帮助调试。

类似地,所有位全为1 的指令,也是非法指令,这能在发生其他常见错误时触发自陷,如访问未编程的非易失性内存设备、断开连接的内存总线或损坏的内存芯片。

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