RISC－V指令集是如何設(shè)計的

我們來回顧一下上期內(nèi)容：我們定義了兩種指令，第一種是立即數(shù)指令，其指令規(guī)則是：xxxxxxxxxxxx（立即數(shù)）xxxxx（源寄存器序號）xxx（運算規(guī)則）xxxxx（目標(biāo)寄存器序號）1（立即數(shù)標(biāo)志位）。第二種指令是寄存器指令，其指令規(guī)則是：0000000xxxxx（源寄存器序號1）xxxxx（源寄存器序號2）xxx（運算規(guī)則）xxxxx（目標(biāo)寄存器序號）0（立即數(shù)標(biāo)志位）。不過呢，這些指令只是我們的一廂情愿，現(xiàn)實中實際的指令集是怎么實現(xiàn)的？

RISC－V指令格式

我們這次來講講RISC－V指令集，看看他們的指令集是如何設(shè)計的。

RISC－V指令集項目在2010年始于伯克利大學(xué)，是一個新穎先進的指令集。我們曾在前幾章中多次提到過這個指令集，不過也就是順嘴一題，這次我們具體看看究竟什么是RISC－V指令集。

首先RISC－V指令集由幾部分組成。最主要的部分是最基礎(chǔ)32位的RV32I，這部分是最基礎(chǔ)的指令集，是兼容RISC－V程序的必要部分。其次是16位的RVC，作為壓縮指令，可以極大節(jié)省程序占用內(nèi)存的空間。再者是32位的RV32M，用以支持乘除法指令。此外還有RV32F、RV32A等等。為什么要分成這么多部分呢？因為我們設(shè)計的CPU大多不會對這些指令全部兼容，而是選擇有目的的部分兼容。比如，設(shè)計一個低功耗的單片機CPU，我們就用不到乘除法等指令，我們可以選擇只兼容RV32I，既簡單又高效。當(dāng)然這些指令還有64位版本，用以支持更高位數(shù)的計算。

RISC－V指令集規(guī)定了CPU中有32個寄存器。有疑問嗎？你可能覺得指令集不就是指令的集合嘛，為什么還規(guī)定我們的硬件設(shè)計？不要忘了，32個寄存器意味著寄存器序號一共是5位，而這是由指令集決定的。順便一說X86指令集中僅規(guī)定有8個寄存器。其中，00000即第一個寄存器本質(zhì)并不是寄存器而是硬件連線0，始終代表數(shù)字0。這個設(shè)計是有意義的，可以借此寫出許多騷操作的指令。

我們先講最基礎(chǔ)的RV32I指令集。作為最基礎(chǔ)的指令集，其包括幾種指令類型。分別是數(shù)字運算指令（包括寄存器指令和立即數(shù)指令）、pc跳轉(zhuǎn)指令、分支指令和內(nèi)存讀寫指令。我們上次定義的指令集屬于數(shù)字運算指令，二者類型相同但內(nèi)容并不完全一致?，F(xiàn)在我來說說RV32I中的數(shù)字運算指令，你們可以和上次定義的指令集比比有何不同？這些差別能帶來好處還是壞處？

add指令釋義

首先是運算指令。RV32I一共定義了10種運算，分別是加法、減法、有符號比較、無符號比較、與、或、非、異或、邏輯左移、邏輯右移和算數(shù)右移。而這些運算分為寄存器指令和立即數(shù)指令。立即數(shù)指令中是無需減法指令的，因為我們曾經(jīng)說過，減法可以通過對其中一個加數(shù)取反加一再與另一個加數(shù)求和實現(xiàn)，所以立即數(shù)可以直接在立即數(shù)上做文章，不需要減法指令。那我們是否需要十種運算電路來分別對應(yīng)這十種計算指令呢？不用，我們只需要八種。少的那兩種分別是減法和移位。減法完全可以復(fù)用加法電路，左移完全可以復(fù)用右移電路。什么是復(fù)用？為什么要復(fù)用？復(fù)用就是重復(fù)利用原有的電路，減少設(shè)置新的電路。這樣可以節(jié)省芯片面積，節(jié)約生產(chǎn)成本，降低發(fā)熱功耗。那么如何復(fù)用呢？不同的電路有不同的復(fù)用方法，以減法復(fù)用加法為例，使用加法電路前，將其中一個數(shù)取反加一便可成為減法電路。

綜上所述，我們?nèi)孕枰?位數(shù)字表示這八種運算邏輯，它們分別是000到111，這三位數(shù)字被稱為funct3（3位功能數(shù)字）。不過加法和移位運算中需要額外的一位數(shù)字用以區(qū)分加減和左右。這一位數(shù)字在哪呢？我們先講立即數(shù)移位指令，立即數(shù)一般是12位數(shù)字，但在移位運算中用不到這么多位數(shù)，一般只有5位。那么在這五位數(shù)之前會有7個空位，第二個空位便是這位數(shù)字所在。立即數(shù)加法指令不需要這一位數(shù)字，原因剛才有指出。寄存器指令中，同樣會存在7位空位，第二位空位是這位數(shù)字所在。

然后我們講一下另一類指令，內(nèi)存讀寫指令。不過我們在此之前需要指出一件事，我們現(xiàn)在有兩種指令類型了，分別是運算指令和內(nèi)存讀寫指令，我們怎么區(qū)分呢？RV32I設(shè)置了另一種功能數(shù)字，funct7（7位功能數(shù)字），為什么會有七位呢？因為指令類型很多，funct7不單起到區(qū)分RV32I指令類型的作用，同時還區(qū)分所有RISC－V的所有指令，甚至還包括16位和64位指令，所以funct7會有7位數(shù)字?；氐絻?nèi)存讀寫指令上來，讀和寫可以被看成兩種類型，需要一位數(shù)字區(qū)分，這位數(shù)字在funct7中。讀和寫都需要地址，否則不知道讀哪或是寫哪。

同時讀指令還需要知道取到的內(nèi)容放到哪，而寫指令需要知道寫什么內(nèi)容。先說地址，地址是由某一寄存器中的數(shù)字加上七位立即數(shù)得到，這樣正好組成之前說的12位數(shù)字。讀指令放到哪呢？放到目標(biāo)寄存器嘛。寫指令的內(nèi)容從哪來呢？來源寄存器嘛。這不就和之前的指令樣式對應(yīng)起來了嗎？所以這兩種指令樣式區(qū)別其實不大。只不過執(zhí)行內(nèi)容有所區(qū)別。

我們現(xiàn)在剛剛簡單講完兩種指令類型，是不是很多人就已經(jīng)迷失自我了？難道所有這些指令規(guī)則只能通過繁瑣的文字來講述嗎？這里就要提到指令集圖卡了。

RV32I指令集圖卡

上圖就是實拍RV32I指令集圖卡，每一行都代表著一條指令，你所要做的便是填入對應(yīng)的寄存器序號和立即數(shù)即可。其中rs1和rs2分別是來源寄存器1和2，rd是目標(biāo)寄存器，imm是立即數(shù)。有的指令可能只需要一個來源寄存器甚至一個都不要，有的指令可能不需要目標(biāo)寄存器，有的指令可能需要12位立即數(shù)，有的則可能要20位立即數(shù)。這些在指令集圖卡中都體現(xiàn)出來了?？吹接疫呌⑽闹?，我手寫的幾道黑橫線了嗎？夾在里面的指令是我們在前文中所講的指令類型，可以再根據(jù)這張圖對前文進行理解，會容易得多哦。

舉個例子，比如加法指令，看到最右側(cè)有兩個add，分別是I addi和R add，區(qū)別在于一個是立即數(shù)加法，一個是寄存器加法。對應(yīng)到靠右邊的方框中是不是可以看到7位數(shù)字，這就是funct7，中間有3位數(shù)字000，這就是funct3。寄存器指令中的最左側(cè)7位數(shù)字是空著的為0000000，而立即數(shù)指令中最左側(cè)則是12位的立即數(shù)。再看R add下面的R sub，與R add唯一的區(qū)別是不是左邊第二位數(shù)字變成了1？這就是之前所說的復(fù)用所需的那一位數(shù)字?，F(xiàn)在是不是能完全和之前所說的聯(lián)系起來了？也沒那么難對吧？

剩下的下次再來吧？還是你們剩下的都能自己看懂了？可以找公眾號回復(fù)一下，我想看看。


審核編輯：劉清