RISC-V ISA 学习笔记(1) 指令集介绍及基本指令集RV32I v2.0

  

（一）RISC-V指令集介绍

   RISC-V指令集是UC Berkley 大学设计的第五代开源 RISC ISA, V 也可以认为是允许变种(Variations)和向量(Vector)向量实现，数据的并行加速功能也是明确支持目标，是专用硬件发展的一个重要方向。RISC ISA相对于成熟的指令集来说有开源、简捷、可扩展、和后发优势（没有历史包袱，可以绕过很多弯路，也不需要考虑兼容历史指令集）等。
  指令集分为基本部分和扩展部分，基本部分的指令集所有硬件实现都必须有这一部分实现，而扩展部分则是可选的。扩展部分又分为标准扩展和非标准扩展。例如，乘除法、单双精度的浮点、原子操作就在标准扩展子集中。
 “I” 基本整数集，其中包含整数的基本计算、Load/Store和控制流，所有的硬件实现都必须包含这一部分。
 “M” 标准整数乘除法扩展集，增加了整数寄存器中的乘除法指令。
 “A” 标准操作原子扩展集，增加对储存器的原子读、写、修改和处理器间的同步。
 “F” 标准单精度浮点扩展集，增加了浮点寄存器、计算指令、L/S指令。
 “D” 标准双精度扩展集，扩展双精度浮点寄存器，双精度计算指令、L/S指令。
 I+M+F+A+D 被缩写为 “G” ，共同组成通用的标量指令。
在后续ISA的版本迭代过程中，RV32G和RV64G总是保持不变。

  基本RISC-V ISA具有32位固定长度，并且需要32位地址对齐。但是也支持变长扩展，要求指令长度为16位整数倍，16位地址对齐。
  32位指令最低2位为“11”，而16位变长指令可以是“00、01、10”，48位指令低5位位全1，64位指令低6位全1。任何长度的指令，如果所有位全0或全1，都认为是非法指令，前者跳入填满0的储存区域，后者通常意味着总线或储存器损坏。
  另外，RISC-V默认用小端储存系统，但非标准变种中可以支持大端或者双端储存系统。

另外专业术语：

异常：RISC-V线程中出现了指令相关的非正常情况。
自陷：RISC-V线程中出现了指令相关的异常情况，控制同步传输到自陷处理函数（一般在高特权环境中执行）。
中断：RISC-V线程外异步出现了一个事件，如果需要处理则需要选择某条指令来接收，并顺序产生自陷。

  

(二）RV32I 基本整数指令集

  基本整数子集用户可见状态为31个寄存器x1~x31,用来保存整数值，其中x0是常数0。还有一个用户可见的寄存器pc用来保存当前指令的地址。

1. 基本指令格式

  4种核心指令格式（R/I/S/U）,都是固定32位长度的指令。基于立即数的处理，还有SB/UI这两种指令格式的变种。

  在所有格式中，RISC-V ISA将源寄存器（rs1和rs2）和目标寄存器（rd）固定在同样的位 置，以简化指令译码。在指令中，立即数被打包，朝着最左边可用位的方向，并且已分配好以减少硬件复杂度。特别地，所有立即数的符号位总是在指令的第31位，以加速符号扩展电路。

2. 整数计算指令

  整数计算指令要么使用I类格式编码R-I操作，要么使用R类格式编码R-R操作。其目标都是rd，不会产生异常。这里没有支持溢出检测指令，uint加法和int数组边界检测用一条分支即可完成，有符号数的加法溢出检测则需要几条指令（与被加数是立即数还是变量有关）。

R-I类指令

 ADDI/SLTI(U)/ANDI/ORI/XORI

  ADDI—> rs1+=imm(12bit)，溢出被忽略。ADDI rd,rs1,0 ==> 伪码 mv rd, rs1
  SLTI(set less than imm)， if(rs1   SLTIU 功能同SLTI， 不过rs1和imm被当作无符号数。SLTIU rd,rs1,1 {if(rs1= =0)rd=1;else rd=0;} = = 汇编 SEQZ rd, rs
  ANDI、ORI、XORI均为逻辑操作，在寄存器rs1和符号扩展位上的12bit按位AND、OR、XOR。
  比如 XORI　rd，rs1，-1 被用来按位取反 NOT rd,rs 。
 SLLI/SRLI/SRAI

  rs1被移位imm[4:0]次，SLLI/SRLI分别是逻辑左右移（空出来的位填0），SRAI是算术右移（符号位的单独处理，正数填充0，负数填充1）。
 LUI/AUIPC

  LUI用于构建32位常数，LUI将imm放到rd的高20位，低12位填0.
  AUIPC(add upper immediate to pc) 用imm构建一个偏移量的高20位，低12位填0，并将此偏移加到pc上，将结果写入rd。
  AUIPC+JALR可以将控制转移到任意32位相对地址，而加上一条12位立即数偏移的load/store指令就可以访问任意32位pc相对数据地址。

R-R类指令

 ADD/SLT/SLTU/AND/OR/XOR/SLL/SRL/SUB/SRA

  ADD/SUB分别用于执行加减法、忽略溢出。
  SLT/SLTU分别用于执行有无符号数的比较 if rs1   SLL/SRL/SRA 分别逻辑左右移，算术右移。被移位的是 rs1,移动rs2的低5位。

NOP指令
  此指令不改变任何用户的可见状态，用于pc的向前推进。 被编码为 ADDI x0,x0,0
 

3. 控制转移指令

  RV32I提供了两类控制转移指令，无条件跳转和条件分支。并且没有在体系结构中可见的分支延迟槽。

无条件跳转

  JAL在立即数处编码了一个有符号偏移量，这个偏移量加到pc上后形成跳转目标地址，并将跳转指令后面指令的地址(pc+4)加载到rd，跳转范围为±1MB。标准软件调用约定使用寄存器x1来作为返回地址寄存器。

  JALR(jump and link register) 通过有符号立即数加上rs1,然后将结果的最低位设置为0，作为目标地址，将跳转指令后面的地址存到rd中。
  如果目标地址没有对齐到32位，JAL和JALR指令均会产生一个非对齐指令取址异常。
  所有无条件跳转指令都是用pc相对寻址，有助于支持位置无关代码。JALR可以用来跳转到任何32位绝对地址空间。
  首先LUI将目标地址的高20位加载到rs1中，然后JALR可以加上低12位。事实上，绝大多数JALR指令的使用要么是一个立即数0，要么就是配合LUI或者AUIPC来跳转到32位地址空间。

条件分支

  所有的分支指令使用SB类指令格式。12位立即数编码了以2字节倍数的有符号偏移量，并被加到当前pc上，生成目标地址。于是条件分支的范围是±4KB。

  BEQ/BNQ if (rs1==/!=rs2) Jmp
  BLT/BLTU if(rs1   BGT/BLEU if (ifrs1>rs2) Jmp
  其他的如 BGT/BGTU/BLE/BLEU可以通过前面的比较指令组合来实现。
  优化过程中，频率较大的分支放在直线位置上，较小的分支被放到跳转分支上，尽量减少跳转。无条件跳转应该总是用JAL指令而不是用永为真的条件跳转。 JAL既可以有更大的跳转范围，也不会占用分支预测器的条件预测表。

4. Load/Store指令

  RV32I中只有load和store指令可以访问储存器，其他指令只能操作寄存器。

  Load 为I类格式，而Store为S类指令格式。load类储存器地址是通过rs1+imm（偏移来实现），都是将储存器值复制到寄存器中。
  store将rs2中的值复制储存器中。
  LW 将32位值复制到rd中，LH从储存器中读取16位，然后将其符号扩展到32位，保存到dr中。LHU指令读取存储器16位，然后0扩展到32位，再保存到rd中。LB/LBU则是读取8位。SW/SH/SB分别将寄存器rs2中的低32/16/8/位到储存器中。
  load和store操作的数据地址应该与操作的数据类型长度保持地址对齐，否则会被分解成两次访问，还需要额外的同步来保证原子性。
  例如：将x2中的32位指令，保存到x3指向的存储器
     sh x2, 0(x3) // 将指令的低半部分保存到第一个包裹中
     srli x2, x2, 16 // 将高位移动到低位，覆盖x2
     sh x2, 2(x3) // 将高位保存到第二个包裹中

5.存储器模型

  RISC-V ISA允许在单一用户地址空间中支持多个线程同时执行。每个线程拥有自己的寄存器和程序计数器，并执行一段互不相关的指令流。 线程的创建和管理根据环境来定义，线程间的通讯可以根据环境或者共享储存器系统来通讯。RISC-V每个线程看到自己的存储操作就好像是按照程序中顺序执行的一样。线程间的存储模型在不同线程间的储存器上操作时需要FENCE指令来确保某些特定的顺序。
  FENCE就是一个栅栏操作，其前后指令之间不能被乱序，可用于线程间的同步。
  FENCE.I用于同步指令和序列流，用于线程内的同步。

6. 控制状态寄存器指令（CSR）

   用户级的CSR指令只能访问少数几个只读寄存器。

  CSRRW(Atomic Read/write CSR)原子性低交换CSR和整数寄存器中的值。读取CSR 中的旧值将其0扩展到XLEN位，写入整数寄存器rd中。rs1中的值被写到CSR中。
  CSRRS(Atomic Read and Set Bits in CSR) 读取CSR的值，0扩展到XLEN位，写入整数寄存器rd中。rs1中的值被当作掩码指明CSR中哪些位置被置1。rs1中为1的位会导致CSR中对应的位被置1，其他位不受影响(CSR|=rs1)。
  CSRRC(Atomic Read and Clear Bits in CSR)功能同上，但是rs1中的值用来指明哪些位置零，即rs1中为1的位CSR对应的位将会被置0，其他位不受影响．
  CSRRWI/CSRRSI/CSRRCI分别对应上面的几条指令,但是被扩展的是5位立即数而不是rs1寄存器的值.
  读取CSR的汇编伪指令 CSRR 被编码为 CSRRS rd,csr,x0
  写入CSR的汇编位指令 CSRW 被编码为CRSRW x0,csr,rs1
  伪指令 CSRWI csr,zimm 被编码为 CSRRWI x0,csr,zimm
  当不需要CSR旧值时, 同来设置和清除CSR中的位 CSRS/CSRC csr,rs1 CSRSI/CSRCI csr,zimm

定时器和计数器

  RV32I提供了多个用户级只读的64位计数器，它们被映射到一个12位的CSR地址空间中， 它们可以使用CSRRS指令以32位片段的形式进行访问。
  RDCYCLE 伪指令用来读取cycle CSR的低XLEN位,这个值是硬件线程开始执行以来的时钟周期数．RDCYCLEH用于读取高32位.
  RDTIME读取time CSR的低XLEN位,这个数值是从过去任意时刻开始以来的在墙实时时间计数值.RDTIMEH是读取高32位.
  RDINSTRET 读取instret CSR的低XLEN位,用于计数本硬件线程的线程退休指令数值.
这些计数器必须提供,而且可以被用户以较小代价访问.当然允许提供额外的寄存器以帮助性能诊断.

环境调用和断点

  ECALL用于向环境(通常是操作系统)发出一个请求,系统环境ABI具体确定参数如何让传递,但是这些参数在整数寄存器中的位置应该确定.
  EBREAK 被调试器使用,用来将控制权传送回调试器.

待续…