大家一起从零设计RISC-V处理器（四）之RISC-V 32位（RV32I）指令集详细介绍

1.简述

指令集是协议规范， 大家遵循规范进行设计，不用考虑软件、工具、应用等一系列的问题；设计RISCV处理器就需要仔细且反复阅读RISC-V标准；
RISC-V官方标准主要分为两部分：用户指令集、特权模式；下面进行详细的介绍：

2.RV特权模式

根据不同的应用场景和需求，同一指令集根据不用特权模式在设计上采取不同的策略；为了加强对操作系统和信息安全的支持，定义三种模式，每一钟模式对应一个特权层级，机器模式层级最高，普通用户模式层级最低，层级越高软件可操作的权限就越高；类似在linux系统，一般在普通用户权限下操作，如果需要安装依赖库或者在根目录下操作等，就需要进入超级用户，也就是root，获得更高的权限（当然可直接用sudo），这是一种保护措施，以防用户误操作导致系统损坏；
在处理器设计时，机器模式是必须要实现的，其他两个模式根据需求加以实现，我们目标是简易的MCU，因此也只需要实现机器模式即可；

3.RV指令集分类

如图所示，指令集分为基础指令集和扩展指令集；又根据处理器位数不同，分为32位、64位以及128位，其中32位指令集（RV32I）为了进一步支持嵌入式又制定嵌入式指令集（RV32E），将32个32位的通用寄存器砍掉一半，即只有16个32位的通用寄存器，其他保持不变；
 “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。
 “C”压缩指令扩展，将某些指令进行压缩，提高代码密度；
 “M” 整数乘除法扩展，增加了整数寄存器中的乘除法指令。
 “A” 原子操作扩展，增加对储存器的原子读、写、修改和处理器间的同步。
 “F” 单精度浮点扩展，增加了浮点寄存器、计算指令、L/S指令。
 “D” 双精度扩展，扩展双精度浮点寄存器，双精度计算指令、L/S指令。
 I+C+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。

可以看出扩展指令支持也比较丰富，但不是我们需要实现的内容就不展开了，后期项目升级需要实现时单独拿出来讨论；

4.RV寄存器

RV32I型具有32个32-bit的通用寄存器，具体定义和功能如下：

5.RV32I指令类型

如图，RV32I 6大类指令类型，从这里可以看出Bit域定义是非常规整的，相同的定义总是在同一位置，这样让代码更简洁、实现更加容易；

• opcode：操作码，每个指令类型都有只属于自己的编码值，用于区分不同的指令类型；
• rd:目标寄存器：需要写入的通用寄存器，该Bit域是寄存器的地址；
• func7、func3：表示指令的功能，同一指令类型中通过这几个bit域来区分具体功能（数字“7”代表是占用7-bit位宽，数字“3”同样）；
• rs1：源寄存器1，需要读取得通用寄存器，该Bit域是寄存器的地址；
• rs2：源寄存器2，需要读取得通用寄存器，该Bit域是寄存器的地址；
• imm：立即数，该Bit域的数值可直接用于计算，是常数；
  

6.RV32I指令总览

如下，是RV32I所有指令，总共47条，详细功能在后面介绍；；这里印证上面所说的同一类型的指令，操作码一致，而不同的功能通过func3、func7来区分；但是U、J型操作码是有区别的，而且I型中不同功能的指令操作码也是不一致，这些区别后面会详细讨论；

7.RV32I指令介绍

1）U-type

U型为两条指令，主要作用将常数（也叫立即数）计算后直接存入目标寄存器中，由于立即数占了20-bit，没有多余的bit做为func，因此这两条指令的操作码不一致作为区分；

• lui指令：将其携带的20位立即数作为32位的高位，低12位置0，然后将结果载入到目标寄存器中；
• 汇编写法：

lui  rd,  imm

• auipc指令：将其携带的20位立即数作为32位的高位，低12位置0，然后与当前的PC值相加，将结果写入目标寄存器中；
• 汇编写法：

auipc  rd, imm

2）J-type

J型也只有两条指令，同U型一样，操作码不一致；

• jal指令：将其携带的20位立即数做符号扩展，并左移一位，产生32bit的有符号数，然后与PC值相加产生指令存储器的目标地址，跳转至PC±1MB的地址范围；同时将紧随其后的指令的地址存入目标寄存器；
• 汇编写法：

jal  rd, offset

• jalr指令：将其携带的12位立即数与源寄存器1值相加，并将结果的末尾清零，作为跳转的地址；与jal指令一样，将其后的指令地址存入目标寄存器中；
• 汇编写法：

jalr rd, offset(rs1)

3）B-type

• beq：源寄存器1、2值相等，跳转至目标地址；而目标地址由立即数符号扩展，并左移1位与PC值相加产生；
• 汇编写法：

beq  rs1, rs2, imm

• bne：源寄存器1、2值不相等，跳转至目标地址；而目标地址由立即数符号扩展，并左移1位与PC值相加产生；
• 汇编写法：

bne  rs1, rs2, imm

• blt：源寄存器1小于源寄存器2值，跳转至目标地址；而目标地址由立即数符号扩展，并左移1位与PC值相加产生；
• 汇编写法：

blt  rs1, rs2, imm

• bge：源寄存器1不小于源寄存器2值，跳转至目标地址；而目标地址由立即数符号扩展，并左移1位与PC值相加产生；
• 汇编写法：

bge  rs1, rs2, imm

• bltu：源寄存器1小于源寄存器2值，跳转至目标地址；而目标地址由立即数符号扩展，并左移1位与PC值相加产生；
• 汇编写法：

bltu  rs1, rs2, imm

• bgeu：源寄存器1不小于源寄存器2值，跳转至目标地址；而目标地址由立即数符号扩展，并左移1位与PC值相加产生；
• 汇编写法：

bgeu  rs1, rs2, imm

4）I-type

I型主要分成两类功能：操作数据存储器、立即数运算；还有其他但这里先不讨论；
先介绍操作数据存储器指令，即Load指令；

• lb：立即数符号扩展后，与源寄存器1相加，作为读取数据的地址，读出该地址的1字节数据，经符号扩展写入到目标寄存器中；
• 汇编写法：

lb  rd, offset(rs1)

• lh：立即数符号扩展后，与源寄存器1相加，作为读取数据的地址，读出该地址的2字节数据，经符号扩展写入到目标寄存器中；
• 汇编写法：

lh  rd, offset(rs1)

• lw：立即数符号扩展后，与源寄存器1相加，作为读取数据的地址，读出该地址的4字节数据，经符号扩展写入到目标寄存器中；
• 汇编写法：

lw  rd, offset(rs1)

• lbu：立即数符号扩展后，与源寄存器1相加，作为读取数据的地址，读出该地址的1字节数据，经0扩展写入到目标寄存器中；
• 汇编写法：

lbu  rd, offset(rs1)

• lhu：立即数符号扩展后，与源寄存器1相加，作为读取数据的地址，读出该地址的2字节数据，经0扩展写入到目标寄存器中；
• 汇编写法：

lhu  rd, offset(rs1)

接下来介绍立即数运算指令：

• addi：立即数做符号扩展，与源寄存器1相加（忽略溢出），将结果存入目标寄存器；
• 汇编写法：

addi  rd, rs1, imm

• slti：立即数做符号扩展，与源寄存器1做比较：条件成立目标寄存器置1，否则置0；
• 汇编写法：

slti  rd, rs1, imm

• sltiu：立即数做符号扩展，与源寄存器1做比较：条件成立目标寄存器置1，否则置0；
• 汇编写法：

sltiu  rd, rs1, imm

• xori：立即数做符号扩展，与源寄存器1相异或，将结果存入目标寄存器；
• 汇编写法：

xori  rd, rs1, imm

• ori：立即数做符号扩展，与源寄存器1相或，将结果存入目标寄存器；
• 汇编写法：

ori  rd, rs1, imm

• ani：立即数做符号扩展，与源寄存器相与，将结果存入目标寄存器；
• 汇编写法：

ani  rd, rs1, imm

• slli：将源寄存器1值左移shamt位，空位填0，结果写入目标寄存器；shamt[5]为0有效；
• 汇编写法：

slli  rd, rs1, shamt

• srli ：将源寄存器1值右移shamt位，空位填0，结果写入目标寄存器；shamt[5]为0有效；
• 汇编写法：

srli  rd, rs1, shamt

• srai：将源寄存器1值循环右移shamt位，结果写入目标寄存器；shamt[5]为0有效；
• 汇编写法：

srai  rd, rs1, shamt

5）S-type

• sb：立即数符号扩展后，与源寄存器1相加作为数据存储器的地址，将源寄存器2的最低字节存入；
• 汇编写法：

sb  rs2, offset(rs1)

• sh：立即数符号扩展后，与源寄存器1相加作为数据存储器的地址，将源寄存器2的最低2个字节存入；
• 汇编写法：

sh  rs2, offset(rs1)

• sw：立即数符号扩展后，与源寄存器1相加作为数据存储器的地址，将源寄存器2的整字存入；
• 汇编写法：

sw  rs2, offset(rs1)

6）R-type

• add：源寄存器1、2相加（忽略溢出），结果将被写入目标寄存器中；
• 汇编写法：

add rd, rs1, rs2

• sub：源寄存器1 - 源寄存器2（忽略溢出），结果将被写入目标寄存器中；
• 汇编写法：

sub rd, rs1, rs2

• sll：源寄存器1值左移源寄存器2[4:0]位，空位补0，结果写入目标寄存器；
• 汇编写法：

sll rd, rs1, rs2

• slt：有符号比较源寄存器1、2值，源寄存器1小，目标寄存器写1，否则写0；
• 汇编写法：

slt rd, rs1, rs2

• sltu：无符号比较源寄存器1、2值，源寄存器1小，目标寄存器写1，否则写0；
• 汇编写法：

sltu rd, rs1, rs2

• xor：源寄存器1、2按位异或，结果写入目标寄存器；
• 汇编写法：

xor rd, rs1, rs2

• srl：源寄存器1值右移源寄存器2[4:0]位，空位补0，结果写入目标寄存器；
• 汇编写法：

srl rd, rs1, rs2

• sra：源寄存器1值循环右移源寄存器2[4:0]位，结果写入目标寄存器；
• 汇编写法：

sra rd, rs1, rs2

• or：源寄存器1、2按位或，结果写入目标寄存器；
• 汇编写法：

or rd, rs1, rs2

• and：源寄存器1、2按位与，结果写入目标寄存器；
• 汇编写法：

and rd, rs1, rs2

8.RV32I指令集归类

1）算术与逻辑运算指令

如图是算术与逻辑运算指令，I和R两大类型的指令；

我们可以通过操作码来区分是R型还是I型，func3来区分逻辑功能，因此有了如下表，左右两列是各自的func3数字，可以看出，具有相同计算功能的指令func3是一致的，从这里再一次体现了RV指令集的规整；
注意R型中的add和sub指令func3是一样的，这里通过func7来区分；

2）数据载入和存储指令

这些是访问数据存储的指令，分别是读取和写入；

3）跳转指令

RV32只有两种跳转指令，无条件跳转：J型；有条件跳转：B型

9.总结

为了方便理解以及日后的回顾，用了比较通俗的表达方式，并不规范，同时也省略很多细节，最后还是建议大家仔细阅读参考文件中的书籍；

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参考文献

【1】《计算机组成与设计-硬件与软件接口》RISC-V版本
【2】《手把手教你设计CPU——RISC-V处理器篇》
【3】《基于FPGA与RISC-V的嵌入式系统设计》
【4】《RISC-V官方手册》