RISC-V的常见指令

目录

运算指令

算术运算

逻辑运算

移位运算

数据传输指令

比较指令

条件分支指令

无条件跳转指令

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  本篇介绍RISC-V的常用指令，帮助建立汇编编程的初步印象。

  我们已经知道，处理器执行的大部分指令都是在存取、运算、比较寄存器和主存中的数据，或是确定下一条指令的位置（PC的值）以实现循环、分支等功能。下面，我们来介绍RISC-V指令集中的各种指令，了解如何用RISC-V编写简单的程序。

  历史上，指令集的设计有RISC（Reduced Instruction Set Computer）和CISC（Complex Instruction Set Computer）两种理念，从名字中可以看出，RISC强调指令集的精简，CISC则强调指令集的复杂。CISC中的指令种类要多得多，单条指令的功能也往往比RISC更复杂，同样的指令在RISC中可能需要多条指令实现。因此CISC完成任务需要的指令数更少，但代码的编写、CPU的设计也更为复杂。Intel的x86是CISC的代表，而移动端和嵌入式设备中常见的arm（Advanced RISC Machine）则是RISC的代表。
  RISC-V读作“risk-five”，是加州大学伯克利分校设计的一种开源ISA（x86是闭源的），其目标是称为ISA领域的Linux。该项目发起于2010年，为解决常见指令集的诸多问题：闭源，扼制创新；过于复杂，不利于学术研究，且很多复杂性源于历史或设计问题；针对性强，如arm面向移动端，x86面向服务器，缺少统一性架构；商业指令集易受企业发展的影响。 {% endnote %}

1. 运算指令

RISC-V中的运算指令包括算术运算，逻辑运算，移位运算。运算只在寄存器之间运行，即想要对内存中的数据进行运算，需要先将其取至寄存器。

这里介绍立即数的概念。汇编中立即数即为常数，一般在运算时会对其作符号扩展，关于符号扩展和零扩展会在介绍RISC-V的机器码表示时介绍。

值得注意的是，RISC-V中有一个寄存器x0被硬编码为0，其值无法修改，作为常数存在。

算术运算

• add rd,rs1,rs2
  ：将寄存器rs1与rs2的值相加并写入寄存器rd。
• sub rd,rs1,rs2
  ：将寄存器rs1与rs2的值相减并写入寄存器rd。
• addi rd,rs1,imm
  ：将寄存器rs1的值与立即数imm相加并存入寄存器rd。
• mul rd,rs1,rs2
  ：将寄存器rs1与rs2的值相乘并写入寄存器rd。
• div rd,rs1,rs2
  ：将寄存器rs1除以寄存器rs2的值，向零舍入并写入寄存器rd。
• rem rd,rs1,rs2
  ：将寄存器rs1模寄存器rs2的值并写入寄存器rd。

以上运算发生溢出时会自动截断高位。乘法可以用

mulh

，

mulhu

获得两个32位数乘积的高32位，细节不赘述。

逻辑运算

• and rd,rs1,rs2
  ：将寄存器rs1与rs2的值按位与并写入寄存器rd。
• andi rd,rs1,imm
  ：将寄存器rs1的值与立即数imm的值按位与并写入寄存器rd。
• or rd,rs1,rs2
  ：将寄存器rs1与rs2的值按位或并写入寄存器rd。
• ori rd,rs1,imm
  ：将寄存器rs1的值与立即数imm的值按位或并写入寄存器rd。
• xor rd,rs1,rs2
  ：将寄存器rs1与rs2的值按位异或并写入寄存器rd。
• xori rd,rs1,imm
  ：将寄存器rs1的值与立即数imm的值按位异或并写入寄存器rd。

移位运算

• sll rd,rs1,rs2
  ：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。
• slli rd,rs1,imm
  ：将寄存器rs1的值左移立即数imm的值这么多位，并写入寄存器rd。
• srl rd,rs1,rs2
  ：将寄存器rs1的值逻辑右移寄存器rs2的值这么多位，并写入寄存器rd。
• srli rd,rs1,imm
  ：将寄存器rs1的值逻辑右移立即数imm的值这么多位，并写入寄存器rd。
• sra rd,rs1,rs2
  ：将寄存器rs1的值算数右移寄存器rs2的值这么多位，并写入寄存器rd。
• srai rd,rs1,imm
  ：将寄存器rs1的值算数右移立即数imm的值这么多位，并写入寄存器rd。

左移会在右边补0，逻辑右移会在最高位添0，算数右移在最高位添加符号位。

区分算数右移和逻辑右移，是从计算的角度考虑的：左移一位等于乘2，右移一位等于除2是算数的规律；无论正数负数，在右边补0都等于乘2；而负数进行逻辑右移的结果不等于除以2，需要用算数右移；而若只有算术右移，则无符号数的运算又会受影响。

数据传输指令

前面讲到，想要对主存中的数据进行运算，需要先将其取至寄存器，数据传输指令实现了这个目的。

现代计算机以字节（byte，1byte=8bits)为基本单位，而内存本身可被视作由byte组成的一维数组，地址从0开始。字（word)则是存取数据的另一个单位，在RISC-V中1word=4Bytes=32bits，在其他体系结构中可能会发生变化。

• lb rd,offset(rs1)
  ：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
• lh rd,offset(rs1)
  ：从地址为寄存器rs1的值加offset的主存中读半个字，符号扩展后存入rd
• lw rd,offset(rs1)
  ：从地址为寄存器rs1的值加offset的主存中读一个字，符号扩展后存入rd
• lbu rd,offset(rs1)
  ：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
• lhu rd,offset(rs1)
  ：从地址为寄存器rs1的值加offset的主存中读半个无符号的字，零扩展后存入rd
• lwu rd,offset(rs1)
  ：从地址为寄存器rs1的值加offset的主存中读一个无符号的字，零扩展后存入rd
• sb rs1,offset(rs2)
  ：把寄存器rs1的值存入地址为寄存器rs2的值加offset的主存中，保留最右端的8位
• sh rs1,offset(rs2)
  ：把寄存器rs1的值存入地址为寄存器rs2的值加offset的主存中，保留最右端的16位
• sw rs1,offset(rs2)
  ：把寄存器rs1的值存入地址为寄存器rs2的值加offset的主存中，保留最右端的32位

l是load的首字母，即加载数据；s是store的缩写，即存储数据。b，h，w分别是byte，half word，word的首字母，除此之外还有存取双字的d，即double word。

举例：

long long A[100];

A[10] = A[3] + a;

假设数组A首地址在寄存器x3，a在x2：

ld x10,24(x3)       # long long占64bits=8bytes，A[3]的地址为A[0]+3*8

add x10,x2,x10

sd x10,80(x3)

比较指令

有符号数：

• slt rd,rs1,rs2
  ：若rs1的值小于rs1的值，rd置为1，否则置为0
• slti rd,rs1,imm
  ：若rs1的值小于立即数imm，rd置为1，否则置为0

无符号数：

• sltu rd,rs1,rs2
  ：若rs1的值小于rs1的值，rd置为1，否则置为0
• sltiu rd,rs1,imm
  ：若rs1的值小于立即数imm，rd置为1，否则置为0

条件分支指令

这部分用来实现控制流，即if语句，循环等。汇编中没有C等高级语言中的

{}

语句块，而是用

Lable:

的形式，下面会举例说明。

• beq rs1,rs2,lable
  ：若rs1的值等于rs2的值，程序跳转到lable处继续执行
• bne rs1,rs2,lable
  ：若rs1的值不等于rs2的值，程序跳转到lable处继续执行
• blt rs1,rs2,lable
  ：若rs1的值小于rs2的值，程序跳转到lable处继续执行
• bge rs1,rs2,lable
  ：若rs1的值大于等于rs2的值，程序跳转到lable处继续执行

blt

和

bge

也有无符号版本

bltu

，

bgeu

。举例：

int i = 0;

do{

    i++;

}while(i<10)

add x2,x0,10        # x2 = 10

add x3,x0,0         # i = 0存储在x3

Loop:

    add x3,x3,1     # i++

    blt x3,x2,Loop  # i<10则继续循环

无条件跳转指令

• j label
  ：程序直接跳转到lable处继续执行
• jal rd,label
  ：用于调用函数，把下一条指令的地址保存在rd中（通常用x1），然后跳转到label处继续执行
• jalr rd,offset(rs)
  ：可用于函数返回，把下一条指令的地址存到rd中，然后跳转到rs+offset地址处的指令继续执行。若rd=x0就是单纯的跳转（x0不能被修改）

这里详细解释一下

jal

和

jalr

。在调用函数时，我们希望函数返回后，继续执行下一条指令，所以要把这下一条指令的地址存起来，再跳转到函数的代码块。函数执行完之后，根据先前存起来的指令地址，再跳回到调用处继续执行。

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

RV32I指令介绍
-- 符号扩展：--

（1）U-TYPE
LUI: 将20位立即数放32位的高位，低12位置0，将结果载入目标寄存器。

汇编写法：

lui  rd,  imm