RISC-V(1)——RISC-V是什么，有什么用

目录

1. RISC-V是什么

2. RISC-V指令集

3. RISC-V特权架构

4. RiscV的寄存器描述

5. 指令 

5.1 算数运算—add/sub/addi/mul/div/rem

 5.2 逻辑运算—and/andi/or/ori/xor/xori

5.3 位移运算—sll/slli/srl/srli/sra/srai

5.4 数据传输—lb/lh/lw/lbu/lhu/lwu/sb/sh/sw

5.5 比较指令—slt/slti/sltu/sltiu

5.6 条件分支指令—beq/bne/blt/bge

5.7 无条件跳转指令—j/jal/jalr

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1. RISC-V是什么

         RISC发明者是美国加州大学伯克利分校教师David Patterson，RISC-V（拼做risk-five）是第五代精简指令集，也是由David Patterson指导的项目，但许多贡献者是该大学以外的志愿者和行业工作者。

        指令集是一个CPU的基石，要实现CPU 计算和控制功能，就必须定义好一系列与硬件电路相匹配的指令系统。指令就是我们交代CPU 要执行的操作，指令集就可以简单理解为指令的集合。我们把cpu 能够识别的指令汇总在一起就构成了一个指令集。不同的CPU 有不同的指令集，根据他们的繁简程度可以分为两种：复杂指令集CISC 和精简指令集 RISC。

2. RISC-V指令集

        RISC-V就是RISC的第五代指令集架构。而RISC-V目标就是“成为一种完全开放的指令集架构，可被任何学术机构或商业组织自由使用”。       

         RISC-V指令集由“基本指令集 + 扩展指令集”组成。

        基本指令集是必选的，扩展指令集是可选的。意思就是可以根据你的实际需求，选择需要使用的指令。例如在一个项目中，如果不需要用到压缩指令，那么就不需要把压缩指令添加进来，从而做到定制化，这也是RISC-V的一大特点。

        RISC-V指令集有RV32I、RV32E、RV64I、RV64E、RV64I等等，RV代表RISC-V，32/64代表32位或64位，I和E都是基本指令集，在I和E的基础上，可以添加D（双精度浮点扩展）、M（整数乘除法）、A（原子扩展）、C（压缩扩展）等扩展指令。例如，在RV64I基础上，添加原子、整数乘除法、双精度浮点、压缩指令，则该指令集称为RV64IMADC。

基本指令集和扩展指令集描述如下：

名称	类别	说明
RV32I	基础指令	整数指令：包含算法、分支、逻辑、访存指令，有32个32位寄存器。能寻址32位地址空间
RV64I	基础指令	整数指令：包含算法、分支、逻辑、访存指令，有32个64位寄存器。能寻址64位地址空间
RV128I	基础指令	整数指令：包含算法、分支、逻辑、访存指令，有32个128位寄存器。能寻址128位地址空间
RV32E	基础指令	与RV32I一样，只不过只使用前16个（0~15）32位寄存器
M	扩展指令	包含乘法、除法、取模求余指令
F	扩展指令	单精度浮点指令
D	扩展指令	双精度浮点指令
Q	扩展指令	四倍精度浮点指令
A	扩展指令	原子操作指令：比如比较并交换，读改写等指令
C	扩展指令	压缩指令：单指令长度为16位，主要用于改善程序大小
P	扩展指令	单指令多数据（Packed-SIMD）指令
B	扩展指令	位操作指令
H	扩展指令	支持（Hypervisor）管理指令
J	扩展指令	支持动态翻译语言指令
L	扩展指令	十进制浮点指令
N	扩展指令	用户中断指令
G	通用指令	包含I、M、A、F、D 指令

        我们可以选择一个基础指令集，加上若干个扩展指令集进行搭配使用，就可以得到我们想要的指令集架构，进而根据这样的指令架构，设计出贴合我们需求的CPU。其中最核心部分是一个基础指令集，叫做RV32I。RV32I 包含的指令是固定不变的，这为编译器设计人员，操作系统开发人员和汇编语言程序员提供了稳定的基础框架。

3. RISC-V特权架构

        ARM有7种工作模式，而RISC-V也有不同的模式，这些模式在RISC-V中也被称为特权架构。

RISC-V总共有四种模式，分别是U、S、H和M模式： 

模式	缩写	编码
机器模式	M	11
Hypervisor	H	10
监管者模式	S	01
用户模式	U	00

• U模式被编码为00
• S模式编码为01
• H模式编码为10
• M模式编码为11

        Level越高，等级越高。等级越高，拥有的访问权限也更高。按照特权等级，有高到低依次为M、H、S、U。

        上图中编码为10的模式是保留的，这个模式实际上就是H模式，H模式是用作虚拟化，但是目前RISC-V对虚拟化还不太完善，基本不支持。因此上图并没有将H模式标出来，而是作为保留。也正是因此，有人经常将RISC-V的模式说成三种U、S和M。

• U模式：User，用户模式
• S模式：Supervisor，监管者模式
• M模式：Machine，机器模式

        以RISC-V Linux为例，Linux应用程序处于U模式，Linux内核/uboot处于S模式，M模式则是OpenSBI。M模式拥有最高访问权限，Linux内核如果要访问CSR寄存器，则必须由S模式切换到M模式，由OpenSBI读取CSR寄存器，然后将数据返回给内核。

        M模式是必须要选择的，RISC-V的裸机代码都运行在M模式下。

4. RiscV的寄存器描述

RISC-V定义了32个通用寄存器和一个PC寄存器，32个通用寄存器如下：

寄存器	ABI名称	说明
x0	zero	0值寄存器，硬编码为0，写入数据忽略，读取数据为0
x1	ra	用于返回地址（return address）
x2	sp	用于栈指针（stack pointer）
x3	gp	用于通用指针（global pointer）
x4	tp	用于线程指针
x5	t0	用于存放临时数据或者备用链接寄存器
x6~x7	t1~t2	用于存放临时数据寄存器
x8	s0/fp	需要保存的寄存器或者帧指针寄存器
x9	s1	需要保存寄存器
x10~x11	a0~a1	函数参数或者返回值寄存器
x12~x17	a2-a7	函数传递参数寄存器
x18~x27	s2-s11	需要保存的寄存器
x28~x31	t3~t6	用于存放临时数据寄存器

5. 指令 

5.1 算数运算—add/sub/addi/mul/div/rem

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。

 5.2 逻辑运算—and/andi/or/ori/xor/xori

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。

5.3 位移运算—sll/slli/srl/srli/sra/srai

//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。

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。

5.4 数据传输—lb/lh/lw/lbu/lhu/lwu/sb/sh/sw

//在RISC-V中1word=4Bytes=32bits。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。

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

5.5 比较指令—slt/slti/sltu/sltiu

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

5.6 条件分支指令—beq/bne/blt/bge

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

5.7 无条件跳转指令—j/jal/jalr

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）