RISC-V指令格式
RISC-V指令格式
- 1 RISC-V指令集命名规范
- 2 RISC-V指令集组成
- 2.1 基础整数指令集
- 2.2 扩展指令集
- 3 RISC-V指令格式
- 3.1 指令表述
- 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：
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：
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。