RISC-V指令集手册第二章-RV32I

2.2 基本指令格式

在基本ISA中，有四种核心指令格式（R/I/S/U），如下图：

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，并且是分配好的，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。

事实上，绝大多数立即数要么很小，要么需要所有的 XLEN 位。我们选择了一种非对称的立即数切分方法（在常规的指令中的低 12 位，加上一条特殊的 load 立即数指令提供高 20 位）来增加常规指令的可用操作码空间。（加载一个 32 位立即数，需要两步：load 指令提供该立即数的高 20 位[31:12]，常规指令提供该立即数的低12 位[11:0]，最后拼接成一个 32 位立即数）。另外，这些立即数都是符号扩展的（有符号数）。我们并没有观察到使用零扩展（无符号数）带来的好处，并且我们想把 ISA 做得尽可能简单。

2.3 立即数编码变种

基于立即数处理，还有额外两种指令格式变种（B/J），如下图所示。

每个立即数字段被所生成的立即数值中的位的位置(imm[x])标签，而不是在指令的立即数字段中的通常位的位置。上图给出了每一种基本指令格式生成的立即数，并被标签，以显示对应指令位(inst[y])生成了立即数值中的对应位。

RISC-V 指令生成的立即数。用指令的位标注了用于构成立即数的字段。符号扩展总是使用 inst[31]。 

2.4 整数计算指令

整数寄存器-立即数指令

ADDI:将符号扩展的12位立即数加到寄存器rs1上。算术溢出被忽略，将运算结果的低XLEN位写进rd中。ADDI rd,rs1,0用于实现MV rd,rs1汇编语言伪指令。

SLTI（set less than immediate）将数值1放到寄存器rd中，如果寄存器rs1小于符号扩展的立即数（比较时，两者都作为有符号数），否则将0写入rd。

SLTIU与之相似，但是将两者作为无符号数进行比较（也就是说，立即数被首先符号扩展为XLEN位，然后被作为一个无符号数）。注意，SLTIU rd,rs1,1将设置rd为1，如果rs1等于0，否则将rd设置为0（汇编语言伪指令SEQZ rd,rs）。 

ANDI、ORI、XORI是逻辑操作，在寄存器rs1和符号扩展的12位立即数上执行按位与；或；异或操作，并把结果写入rd。注意，XORI rd,rs1,-1在rs1上执行一个按位取反操作（汇编语言伪指令NOT rd,rs）。

被移位常数次，被编码为I类格式的特例。被移位的操作数放在rs1中，移位的次数被编码到I立即数字段的低5位。右移类型被编码到I立即数的一位高位。SLLI是逻辑左移（0被移入低位）；SRLI是逻辑右移（0被移入高位）；SRAI是算术右移（原来的符号位被复制到空出的 高位中）。 

逻辑右移与算术右移的区别：逻辑右移高位补0，算术右移高位补符号位（正数补0；负数补1）

LUI（load upper immediate）用于构建32位常数，并使用U类格式。LUI将U立即数放到目标寄存器rd的高20位，将rd的低12位填0。

AUIPC（add upper immediate to pc）用于构建pc相对地址，并使用U类格式。AUIPC从20位U立即数构建一个32位偏移量，将其低12位填0，然后将这个偏移量加到pc上，最后将结果写入寄存器rd。

整数寄存器-寄存器操作 

RV32I定义了几种算术R类操作。所有操作都是读取rs1和rs2寄存器作为源操作数，并把结果写入到寄存器rd中。funct7和funct3字段选择了操作的类型。

ADD和SUB分别执行加法和减法。溢出被忽略，并且结果的低XLEN位被写入目标寄存器 rd。SLT和SLTU分别执行符号数和无符号数的比较，如果rs1（汇编伪指令：SNEZ rd,rs，被译成SLTU rd,x0,rs，如果rs不为0，则把1写入rd，否则把0写入rd）。

AND、OR、XOR执行按位逻辑操作，类似于ANDI、ORI、XORI，对应源操作数换成rs1和rs2。

SLL、SRL、SRA分别执行逻辑左移，逻辑右移，算术右移操作，类似于SLLI、SRLI、SRAI，对应源操作数换成rs1和rs2。

NOP 指令 

NOP指令并不改变任何用户可见的状态，除了使得pc向前推进。NOP被编码为ADDI x0,x0,0。 

2.5 控制转移指令

无条件跳转

JAL（jump and link），指令使用了UJ类格式，此处J立即数编码了一个2的倍数的有符号偏移量。这个偏移量被符号扩展，加到pc上，形成跳转目标地址，跳转范围因此达到±1MB。 JAL将跳转指令后面指令的地址（pc+4）保存到寄存器rd中。标准软件调用约定使用寄存器x1来作为返回地址寄存器。 

注：由上图可知，立即数没有[0]位，即2的倍数；至于跳转范围，由于偏移量offset为21位，除去最高位符号位，剩下20位，即2^20=1M，故跳转范围为±1MB。

普通的无条件跳转指令（汇编语言伪指令J）被编码为rd=x0的JAL指令。（注：x0是只读寄存器，无法写入，因此只跳转，不保存pc+4到rd中）。

JALR（jump and link register）使用I类编码。通过将12位有符号I类立即数加上rs1，然后将结果的最低位设置为0，作为目标地址。跳转指令后面指令的地址（pc+4） 保存到寄存器rd中。如果不需要结果，则可以把x0作为目标寄存器。 

JAL指令和JALR指令会产生一个非对齐指令取指异常(address_misaligned)，如果目标地址没有对齐到4字节边界。