RISC-V常用指令学习笔记

RISC-V是一个基于精简指令集原则的开源指令集架构

ISA 指令集架构

ABI 应用程序二进制接口

PC  程序计数器

B-type 条件跳转指令

J-type 无条件跳转指令

I-type 寄存器-立即数指令

R-type寄存器-寄存器指令

 

(risc-v传输的数据都是32位字长，所以要进行扩展，sign-extended符号位扩展，zero-extended零扩展)

//offset，imm等、操作时都需要进行符号扩展，sexd()/(sign-extend)

1 R-type 寄存器-寄存器指令

funct-7	rs2-5	rs1-5	funct-3	rd-5	opcode-7	R-type
0000000	rs2	rs1	000	rd	0110011	R add
0100000	rs2	rs1	000	rd	0110011	R sub
0000000	rs2	rs1	001	rd	0110011	R sll
0000000	rs2	rs1	010	rd	0110011	R slt小置位
0000000	rs2	rs1	011	rd	0110011	R sltu
0000000	rs2	rs1	100	rd	0110011	R xor
0000000	rs2	rs1	101	rd	0110011	R srl
0100000	rs2	rs1	101	rd	0110011	R sra
0000000	rs2	rs1	110	rd	0110011	R or
0000000	rs2	rs1	111	rd	0110011	R and

1. ADD rd, rs1, rs2

x[rd] = x[rs1] + x[rs2]，忽略溢出，保留低32bit

2. SUB rd, rs1, rs2

x[rd]  = x[rs1] - x[rs2]，忽略溢出，保留低32bit

3. AND rd, rs1, rs2

x[rd]  = x[rs1] & x[rs2]，按位与 &   //&&逻辑与

4. OR rd, rs1, rs2

x[rd]  = x[rs1] | x[rs2]，按位或 |

5. XOR rd, rs1, rs2

x[rd] = x[rs1] ^ x[rs2]， 按位异或 ^

6. SLT  (set less than小于置1)

SLT rd, rs1, rs2     

if (x[rs1] < x[rs2])  x[rd] = 1 else x[rd] = 0

7. SLTU  (set less than unsigned)

SLTU rd, rs1, rs2

if((unsigned)x[rs1] < (unsigned)x[rs2])  x[rd] = 1 else x[rd] = 0

8. SLL  (shift left logical)

SLL rd, rs1, rs2

rd = x[rs1] << rs2 [4 : 0]，逻辑左移，低位补零，rs2的lower 5 bits作为偏移量，将寄存器rs1的值左移寄存器rs2的值这么多位，并写入寄存器rd //算数左移也是低位补零

9. SRL  (shift right logical)

SRL rd, rs1, rs2    

rd = x[rs1] >> rs2 [4 : 0]，逻辑右移，高位补零，rs2的lower 5 bits作为偏移量

10. SRA  (shift right arithmetic)

SRA rd, rs1, rs2

rd = x[rs1] >> rs2 [4 : 0]，算数右移，高位补符号位，rs2的lower 5 bits作为偏移量

2 S-type用于内存存储操作

Imm-7	rs2-5	rs1-5	funct-3	Imm-5	opcode-7	S-type
imm[11:5]	rs2	rs1	000	imm[4:0]	0100011	S sb字节
imm[11:5]	rs2	rs1	001	imm[4:0]	0100011	S sh半字
imm[11:5]	rs2	rs1	010	imm[4:0]	0100011	S sw字

Load指令使用的是I-Type指令的格式

Store指令使用的是S-Type指令的格式

Load和Store指令的偏移量均由一个12位的立即数给出，但是它们在指令中的位置不同，这是由指令的功能决定的：

Load指令需要将内存中的数据转移到寄存器组，因此需要提供目标寄存器；

Store指令需要将寄存器组中的数据转移到内存，因此需要rs1提供内存中将要写入数据的地址，rs2提供需要转移的数据。

8086 [段地址*16(逻辑地址)+偏移地址=物理地址]  //数据线16位，地址线20位

1. SB (store byte)

sb rs2, offset(rs1)

mem(x[rs1]+(sign-extend)offset)=x[rs2] [7:0]

//把寄存器rs2的值存入地址为寄存器rs1的值加offset的主存中，保留最右端的8位

2. SH (store half)

sh rs2, offset(rs1)

mem(x[rs1]+(sign-extend)offset)=x[rs2] [15:0]

//把寄存器rs2的值存入地址为寄存器rs1的值加offset的主存中，保留最右端的16位

3. SW (store word)

sw rs2, offset(rs1)

mem(x[rs1]+(sign-extend)offset)=x[rs2] [31:0]

//把寄存器rs2的值存入地址为寄存器rs1的值加offset的主存中，保留最右端的32位

3 I-type寄存器-立即数指令

imm[11:0]立即数	rs1-5	funct-3	rd-5	opcode-7	I-type
imm[11:0]	rs1	000	rd	1100111	I jalr

1. JALR  (jump and link register)

jalr rd,offset(rs1)   //其他写法？？jalr rd,rs1,offset

把下一条指令的地址存到rd中，然后跳转到rs1+offset地址处的指令继续执行。

//类似函数调用？

imm[11:0]立即数	rs1-5	funct-3	rd-5	opcode-7	I-type
imm[11:0]	rs1	000	rd	0000011	I lb
imm[11:0]	rs1	001	rd	0000011	I lh
imm[11:0]	rs1	010	rd	0000011	I lw
imm[11:0]	rs1	100	rd	0000011	I lbu
imm[11:0]	rs1	101	rd	0000011	I lhu

1. LW  (load word载入字=4字节)

LW rd, offset(rs1)

x[rd] = mem[x[rs1] + (sign-extended) offset] [31:0]

2. LH (load half载入半字=2字节)

LH rd, offset(rs1)

x[rd] = (sign-extended) mem[x[rs1] + (sign-extend) offset)] [15:0]

(从地址为寄存器rs1的值加offset的主存中读一个字节，符号扩展后存入rd)

3. LB (load byte载入字节)

LB rd, offset(rs1)

x[rd] = (sign-extended) mem[x[rs1] + (sign-extend) offset)] [7:0]

4. LBU (load byte unsigned载入8位无符号字节)

LBU rd, offset(rs1)

x[rd] = (zero-extended) mem[x[rs1] + (sign-extend) offset)] [7:0]

(从地址为寄存器rs1的值加offset的主存中读一个无符号的字节，零扩展后存入rd)

5. LHU (load half unsigned载入8位无符号字节)

imm[11:0]立即数		rs1-5	funct-3			rd-5	opcode-7		I-type
imm[11:0]	rs1			000	rd			0010011		I addi
imm[11:0]	rs1			010	rd			0010011		I slti
imm[11:0]	rs1			011	rd			0010011		I sltiu
imm[11:0]	rs1			100	rd			0010011		I xori
imm[11:0]	rs1			110	rd			0010011		I ori
imm[11:0]	rs1			111	rd			0010011		I andi
imm[11:0]	rs1			001	rd			0010011		I slli
imm[11:0]	rs1			101	rd			0010011		I srli
imm[11:0]	rs1			101	rd			0010011		I srai

(imm是一个12位的立即数，在与32位的寄存器进行逻辑运算时必须进行符号位扩展)

1. ADD rd, rs1, imm

x[rd] = x[rs1] + (sign-extended) imm，忽略溢出，保留低32bit

2. AND rd, rs1, imm

x[rd] = x[rs1] & (sign-extended) imm，按位与 &   // &&逻辑与

3. OR rd, rs1, imm

x[rd] = x[rs1] | (sign-extended) imm，按位或 |

4. XOR rd, rs1, imm

x[rd] = x[rs1] ^ (sign-extended) imm， 按位异或 ^

5. SLTI  (set less than immediate)

SLT rd, rs1, imm

if (x[rs1] < (sign-extended) imm)  x[rd] = 1 else x[rd] = 0

6. SLTIU  (set less than unsigned immediate)

SLTU rd, rs1, imm

if((unsigned)x[rs1]< (unsigned)(sign-extended)imm)  x[rd] = 1 else x[rd] = 0

//移动指令中imm低6位作为偏移量，且当第6位为0指令才有效

1. slli  (Shift Left Logical Immediate立即数)  

slli rd, rs1, imm   

rd = x[rs1] << imm，逻辑左移，空位补零，结果写入rd

2. srli  (Shift Right Logical Immediate立即数)

srli rd, rs1, imm   

rd = x[rs1] >> imm，逻辑右移，空位补零，结果写入rd

3. srai  (Shift Right Arithmetic Immediate立即数)

srai rd, rs1, imm   

rd = x[rs1] >> imm，算数右移，高位补符号位，结果写入rd

imm[11:0]立即数			rs1-5	funct-3	rd-5	opcode-7	I-type
0000	pred	succ	00000	000	00000	0001111	I fence
0000	0000	0000	00000	001	00000	0001111	I fence.i
0000 0000 0000			00000	000	00000	1110011	I ecall
0000 0000 0001			00000	000	00000	1110011	I ebreak
csr (control statue register)			rs1	001	rd	1110011	I csrrw
csr控制状态寄存器			rs1	010	rd	1110011	I csrrs
csr			rs1	011	rd	1110011	I csrrc
csr			zimm	101	rd	1110011	I csrrwi
csr			zimm	110	rd	1110011	I cssrrsi
csr			zimm	111	rd	1110011	I csrrci

4 B-type条件跳转指令

Imm-7	rs2-5	rs1-5	funct-3	Imm-5	opcode-7	B-type
imm[12|10:5]	rs2	rs1	000	imm[4:1|11]	1100011	B beq等于
imm[12|10:5]	rs2	rs1	001	imm[4:1|11]	1100011	B bne不等
imm[12|10:5]	rs2	rs1	100	imm[4:1|11]	1100011	B blt小于
imm[12|10:5]	rs2	rs1	101	imm[4:1|11]	1100011	B bge大于等于
imm[12|10:5]	rs2	rs1	110	imm[4:1|11]	1100011	B bltu
imm[12|10:5]	rs2	rs1	111	imm[4:1|11]	1100011	B bgeu

1. BEQ  (branch equal)

BEQ rs1, rs2, offset  

if (x[rs1] == x[rs2])  pc += (sign-extended) offset 

如果x[rs1]=x[rs2]，pc的值被设置为当前值加上符号扩展偏移量，程序跳转到此时pc所指的地址继续执行。

//其他指令类似

2. BLTU  (branch less than unsigned无符号)

BLTU rs1, rs2, offset

if((unsigned) x[rs1]  < (unsigned) x[rs2])  pc += (sign-extended) offset 

如果x[rs1]符号扩展偏移量，程序跳转到此时pc所指的地址继续执行。

//其他指令类似

blt    (Branch if less than)小于

bne   (Branch if not equal)不等于

bge   (Branch if greater or equal)大于等于

bltu   (Branch if Less Than, Unsigned)

bgeu  (Branch if greater or equal, Unsigned)

5 J-type无条件跳转指令

Imm-20	Rd-5	opcode-7	J-type
imm[20|10:1|11|19:12]	rd	1101111	J jal

JAL  (jump and link)  

jal rd, offset

x[rd]=pc+4  //rd内存入下一条指令的地址，一条指令占4个字节

pc+=(sign-extended)offset  //程序跳转，继续执行

//对比I-type的JASR(jump and link register)

imm[11:0]立即数	rs1-5	funct-3	rd-5	opcode-7	I-type
imm[11:0]	rs1	000	rd	1100111	I jalr

JALR  (jump and link register)

jalr rd,offset(rs1)   //其他写法？？jalr rd,rs1,offset

把下一条指令的地址存到rd中，然后跳转到rs1+offset地址处的指令继续执行。

//类似函数调用？

6 U-type用于长立即数操作

Imm-20	Rd-5	opcode-7	U-type
imm[31:12]	rd	0110111	U lui
imm[31:12]	rd	0010111	U auipc

1. LUI  (load upper immediate载入长立即数)

lui rd, imm

x[rd] = sext(imm[31:12] << 12)

//将符号扩展的20位立即数左移12位，即低12位抹零后存入rd中

2. AUIPC  (add upper immediate to pc)

auipc rd, imm

x[rd] = pc + sext(imm[31:12] << 12)

//将符号扩展的20位立即数左移12位，即低12位抹零后加上pc，结果存入rd中

7 乘法和除法指令

 

funct-7	rs2-5	rs1-5	funct-3	rd-5	opcode-7	R-type
0000001	rs2	rs1	000	rd	0110011	R mul
0000001	rs2	rs1	001	rd	0110011	R mulh
0000001	rs2	rs1	010	rd	0110011	R mulhsu
0000001	rs2	rs1	011	rd	0110011	R mulhu
0000001	rs2	rs1	100	rd	0110011	R div
0000001	rs2	rs1	101	rd	0110011	R divu
0000001	rs2	rs1	110	rd	0110011	R rem余数
0000001	rs2	rs1	111	rd	0110011	R remu

//负数以补码的形式存放，补码等于原码取反加一(符号位不变)，补码取反加一是绝对值

1. MUL  (multiple乘法)

mul rd, rs1, rs2

x[rd] = x[rs1] * x[rs2]

把寄存器 x[rs2]与寄存器 x[rs1]相乘，乘积写入 x[rd]。忽略算术溢出

2. MULH  (Multiply High)

mulh rd, rs1, rs2

x[rd] = (x[rs1] * x[rs2]) ≫XLEN

把寄存器 x[rs2]与寄存器 x[rs1]相乘，x[rs1] x[rs2]都视为二进制补码(都为有符号数)，将乘积的高位(左32位)写入x[rd]。

//二进制补码(2的补码)：(计算机中负数的表示方式)

第一步，每一个二进制位都取反值，0变成1，1变成0。

第二步，将上一步的得到的值加1

3. MULHSU  (Multiply High Signed-Unsigned)

mulhsu rd, rs1, rs2

x[rd] = (x[rs1] * x[rs2]) ≫XLEN

把寄存器 x[rs2]与寄存器 x[rs1]相乘，x[rs1]为二进制的补码(有符号数)，x[rs2]为无符号数，将乘积的高位写入x[rd]。

4. MULHU  (Multiply High Unsigned)

mulhu rd, rs1, rs2

x[rd] = (x[rs1] * x[rs2]) ≫XLEN

把寄存器 x[rs2]与寄存器 x[rs1]相乘，x[rs1] x[rs2]都为无符号数，将乘积的高位写入x[rd]。

5. DIV  (Divide除法)

div rd, rs1, rs2

x[rd] = x[rs1] / x[rs2 signed]

用寄存器 x[rs1]的值除以寄存器 x[rs2]的值，向零舍入(正数向下舍入，负数向上舍入，舍入的方向要朝向0)，将这些数视为二进制补码，把商写入x[rd]。

6. DIVU  (Divide Unsigned无符号除法)

divu rd, rs1, rs2

x[rd] = x[rs1] / x[rs2 unsigned]

用寄存器 x[rs1]的值除以寄存器 x[rs2]的值，向零舍入，将这些数视为无符号数，把商写入x[rd]。