RISC-V指令集架構(gòu)特點(diǎn)

RISC-V是當(dāng)下熱門的技術(shù)，值得大家學(xué)習(xí)，這里分享一份關(guān)于RISC-V指令的內(nèi)容給大家。

1. 指令集

1.1 指令集

指令集是一個(gè)CPU的基石，要實(shí)現(xiàn)CPU 計(jì)算和控制功能，就必須定義好一系列與硬件電路相匹配的指令系統(tǒng).

指令就是我們交代CPU 要執(zhí)行的操作，指令集就可以簡單理解為指令的集合。我們把cpu 能夠識(shí)別的指令匯總在一起就構(gòu)成了一個(gè)指令集。

不同的CPU 有不同的指令集，根據(jù)他們的繁簡程度可以分為兩種：復(fù)雜指令集CISC 和精簡指令集 RISC

1.2 指令集架構(gòu)

指令架構(gòu)（Instruction Set Architecture, 縮寫為ISA），是軟件和硬件的接口，不同的應(yīng)用需求，會(huì)有不同的指令架構(gòu)。要設(shè)計(jì)一款CPU 指令體系就是設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)。

2. RISC-V 指令集架構(gòu)

RISC-V 指令有以下特點(diǎn)：

完全開放

指令簡單

模塊化設(shè)計(jì)，易于擴(kuò)展

要滿足現(xiàn)在操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序的基本運(yùn)行，RV32G指令集或者RV64G指令集就夠了。RV32G和RV64G指令集只有寄存器位寬和尋址大小不同。這些指令按照功能可以分為如下幾類：

整數(shù)運(yùn)算指令：算術(shù)、邏輯、比較等基礎(chǔ)運(yùn)算功能。

分支轉(zhuǎn)移指令：實(shí)現(xiàn)條件轉(zhuǎn)移、無條件轉(zhuǎn)移操作

加載存儲(chǔ)指令：實(shí)現(xiàn)字節(jié)、半字(half word)、字(word)、雙字（RV64I）的加載，存儲(chǔ)操作，采用的都是寄存器相對(duì)尋址方式

控制與狀態(tài)寄存器訪問指令：實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)控制與系統(tǒng)狀態(tài)寄存器的原子讀-寫、原子讀-修改、原子讀-清零等操作

系統(tǒng)調(diào)用指令：實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)用功能。

原子指令：用于各種同步鎖

單雙浮點(diǎn)指令：實(shí)現(xiàn)浮點(diǎn)運(yùn)算操作

從上表我們可以看到，RISC-V 指令集具有模塊化特點(diǎn)。這就允許我們根據(jù)自己的需求，選擇一個(gè)基礎(chǔ)指令集，加上若干個(gè)擴(kuò)展指令集靈活搭配，就可以得到我們想要的指令集架構(gòu)，進(jìn)而根據(jù)這樣的指令架構(gòu)，設(shè)計(jì)出貼合我們需求的CPU.

作為初學(xué)者，我們了解RISC-V 的核心即可。它的最核心部分是一個(gè)基礎(chǔ)指令集，叫做RV32I.

RV32I 包含的指令是固定不變的，這為編譯器設(shè)計(jì)人員，操作系統(tǒng)開發(fā)人員和匯編語言程序員提供了穩(wěn)定的基礎(chǔ)框架。

RV32I 指令集：

RV32I 指令集如圖所示，把帶下劃線的字母從左至右連接組合就是組成了RV32I指令。{}表示集合中垂直方向的每個(gè)項(xiàng)目指令不同變體。變體用下劃線字母或者下劃線表示表示，如果大括號(hào)里面只有下劃線，則表示對(duì)此變體不需要用字母表示

我們結(jié)合具體例子來看：下圖表示了bge、blt、bgeu、bltu四個(gè)指令。

3. 指令格式

下圖是RISC-V 指令格式，從下圖可以看到RSIC-V共六種指令格式。

opcode :指令操作碼

imm：代碼立即數(shù)

func3和funct7：代表指令對(duì)應(yīng)的功能

rs1：源寄存器1

rs2：源寄存器2

rd：目標(biāo)寄存器（RSIC-V 一個(gè)指令可以提供三個(gè)寄存器操作）

六種指令格式作用如下：

4.寄存器

在RISC-V 的規(guī)范里面定義了32 個(gè)通用寄存器。其中31個(gè)是常規(guī)寄存器，1個(gè)恒為0值的x0寄存器。

0值寄存器是為了滿足匯編語言程序員和編譯器編寫者的使用需要，他們可以使用x0寄存器作為操作數(shù)，來完成功能相同的操作。

addix0,x0,0;0=0+0,相當(dāng)于nop空指令

RSIC-V 寄存器說明

5. RV32I 指令解讀

5.1 算術(shù)與邏輯指令

在RV32I 中包括算術(shù)指令（add/sub）、數(shù)值比較指令(slt)、邏輯指令(and/or/xor)以及移位指令(sll/srl/sra)這幾種指令。

這些指令和其他指令集差不多，它們從寄存器讀取兩個(gè)32位的值，并將32位運(yùn)算結(jié)果再寫回到目標(biāo)寄存器。

I型指令：立即數(shù)算術(shù)運(yùn)算

R型指令：寄存器與寄存器操作指令

需要指出的是，在寄存器與寄存器操作的算術(shù)指令中。必須要有減法指令。這和立即數(shù)操作指令不同。

5.2 Load 和 Store 指令

在RISC-V 指令集中，對(duì)內(nèi)存的讀寫只能通過LOAD 和 STORE 指令實(shí)現(xiàn)。而其他的指令只能以寄存器為操作對(duì)象。

如上圖所示，load 和 store 的尋址模式只能是符號(hào)擴(kuò)展12位的立即數(shù)，加上基地址寄存器得到訪存的存儲(chǔ)器地址。因?yàn)闆]有了復(fù)雜的內(nèi)存尋址方式，這讓CPU 流水線可以對(duì)數(shù)據(jù)沖突提前做出判斷，并通過流水線各級(jí)轉(zhuǎn)送加以處理，而不需要加入空操作（NOP），極大的提高了代碼的執(zhí)行效率。

5.3 分支跳轉(zhuǎn)指令

5.3.1 有條件的分支跳轉(zhuǎn)

RV32I 中的條件跳轉(zhuǎn)就是通過比較兩個(gè)寄存器的值，進(jìn)行分支跳轉(zhuǎn)：

beq：相等

bne：不相等

bge/bgeu：大于等于

blt/bltu：小于

5.3.2 無條件的分支跳轉(zhuǎn)

無條件跳轉(zhuǎn)指令可以細(xì)分為直接跳轉(zhuǎn)和間接跳轉(zhuǎn)。直接跳轉(zhuǎn)指令JAL 如下圖所示：

JAL 指令執(zhí)行過程是這樣的。它會(huì)把20位立即數(shù)做符號(hào)位擴(kuò)展。并左移一位，產(chǎn)生一個(gè)32位符號(hào)數(shù)。然后，將該32位符號(hào)數(shù)和PC相加來產(chǎn)生目標(biāo)地址（這樣，JAL 可以作為短跳轉(zhuǎn)指令，跳至PC+1MB的地址范圍內(nèi)）

同時(shí)JAL 會(huì)把緊隨其后的那條指令地址，存入目標(biāo)寄存器中。這樣，如果目標(biāo)寄存器是零，則JAL就等同GOTO指令；如果目標(biāo)寄存器不為零，JAL可以實(shí)現(xiàn)函數(shù)調(diào)用功能。

間接跳轉(zhuǎn)直接JALR如下：

JALR指令會(huì)把12位立即數(shù)和源寄存器相加，并把相加結(jié)果末位清零，作為新的跳轉(zhuǎn)地址。同時(shí)和JAL指令一樣，也會(huì)把緊隨其后的那條指令地址，存入目標(biāo)寄存器中。

5.4 其他指令

除了內(nèi)存地址空間和通用寄存器地址空間外，RISC-V 還定義了一個(gè)獨(dú)立的控制和狀態(tài)寄存器地址空間（Control Status Register）每個(gè)處理器實(shí)現(xiàn)的CSR會(huì)因設(shè)計(jì)目標(biāo)不同而有差異，但是這些CSR的訪問方式卻是一樣的，訪問這些CSR指令定義在了用戶指令集中(Zicsr指令集擴(kuò)展)

有了上圖這些CSR 指令，能夠讓我們輕松的訪問一些程序性能計(jì)數(shù)器。這些計(jì)數(shù)器包括系統(tǒng)時(shí)間、時(shí)間周期以及執(zhí)行的指令數(shù)目。