1. 指令集

1.1 指令集

指令集是一個CPU的基石,，要實現(xiàn)CPU 計算和控制功能,，就必須定義好一系列與硬件電路相匹配的指令系統(tǒng).

指令就是我們交代CPU 要執(zhí)行的操作，指令集就可以簡單理解為指令的集合,。我們把cpu 能夠識別的指令匯總在一起就構(gòu)成了一個指令集,。

不同的CPU 有不同的指令集,，根據(jù)他們的繁簡程度可以分為兩種：復(fù)雜指令集CISC 和精簡指令集 RISC

1.2 指令集架構(gòu)

指令架構(gòu)（Instruction Set Architecture, 縮寫為ISA）,，是軟件和硬件的接口，不同的應(yīng)用需求,，會有不同的指令架構(gòu),。要設(shè)計一款CPU 指令體系就是設(shè)計的出發(fā)點。

2. RISC-V 指令集架構(gòu)

RISC-V 指令有以下特點：

• 完全開放
• 指令簡單
• 模塊化設(shè)計,，易于擴展

要滿足現(xiàn)在操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序的基本運行,，RV32G指令集或者RV64G指令集就夠了,。RV32G和RV64G指令集只有寄存器位寬和尋址大小不同。這些指令按照功能可以分為如下幾類：

• 整數(shù)運算指令：算術(shù),、邏輯,、比較等基礎(chǔ)運算功能。
• 分支轉(zhuǎn)移指令：實現(xiàn)條件轉(zhuǎn)移,、無條件轉(zhuǎn)移操作
• 加載存儲指令：實現(xiàn)字節(jié),、半字(half word)、字(word),、雙字（RV64I）的加載,，存儲操作，采用的都是寄存器相對尋址方式
• 控制與狀態(tài)寄存器訪問指令：實現(xiàn)對系統(tǒng)控制與系統(tǒng)狀態(tài)寄存器的原子讀-寫,、原子讀-修改,、原子讀-清零等操作
• 系統(tǒng)調(diào)用指令：實現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)用功能。
• 原子指令：用于各種同步鎖
• 單雙浮點指令：實現(xiàn)浮點運算操作

從上表我們可以看到,，RISC-V 指令集具有模塊化特點,。這就允許我們根據(jù)自己的需求，選擇一個基礎(chǔ)指令集,，加上若干個擴展指令集靈活搭配,，就可以得到我們想要的指令集架構(gòu)，進而根據(jù)這樣的指令架構(gòu),，設(shè)計出貼合我們需求的CPU.

作為初學(xué)者,，我們了解RISC-V 的核心即可。它的最核心部分是一個基礎(chǔ)指令集,，叫做RV32I.

RV32I 包含的指令是固定不變的,，這為編譯器設(shè)計人員，操作系統(tǒng)開發(fā)人員和匯編語言程序員提供了穩(wěn)定的基礎(chǔ)框架,。

RV32I 指令集：

RV32I 指令集如圖所示,，把帶下劃線的字母從左至右連接組合就是組成了RV32I指令,。{}表示集合中垂直方向的每個項目指令不同變體。變體用下劃線字母或者下劃線表示表示,，如果大括號里面只有下劃線,，則表示對此變體不需要用字母表示

我們結(jié)合具體例子來看：下圖表示了bge、blt,、bgeu,、bltu四個指令。

3. 指令格式

下圖是RISC-V 指令格式,，從下圖可以看到RSIC-V共六種指令格式,。

• opcode :指令操作碼
• imm：代碼立即數(shù)
• func3和funct7：代表指令對應(yīng)的功能
• rs1：源寄存器1
• rs2：源寄存器2
• rd：目標寄存器（RSIC-V 一個指令可以提供三個寄存器操作）

六種指令格式作用如下：

4.寄存器

在RISC-V 的規(guī)范里面定義了32 個通用寄存器。其中31個是常規(guī)寄存器,，1個恒為0值的x0寄存器,。

0值寄存器是為了滿足匯編語言程序員和編譯器編寫者的使用需要，他們可以使用x0寄存器作為操作數(shù),，來完成功能相同的操作,。

RSIC-V 寄存器說明

5. RV32I 指令解讀

5.1 算術(shù)與邏輯指令

在RV32I 中包括算術(shù)指令（add/sub）、數(shù)值比較指令(slt),、邏輯指令(and/or/xor)以及移位指令(sll/srl/sra)這幾種指令,。

這些指令和其他指令集差不多，它們從寄存器讀取兩個32位的值,，并將32位運算結(jié)果再寫回到目標寄存器,。

I型指令：立即數(shù)算術(shù)運算

R型指令：寄存器與寄存器操作指令

需要指出的是，在寄存器與寄存器操作的算術(shù)指令中,。必須要有減法指令。這和立即數(shù)操作指令不同,。

5.2 Load 和 Store 指令

在RISC-V 指令集中,，對內(nèi)存的讀寫只能通過LOAD 和 STORE 指令實現(xiàn)。而其他的指令只能以寄存器為操作對象,。

如上圖所示,，load 和 store 的尋址模式只能是符號擴展12位的立即數(shù)，加上基地址寄存器得到訪存的存儲器地址,。因為沒有了復(fù)雜的內(nèi)存尋址方式,，這讓CPU 流水線可以對數(shù)據(jù)沖突提前做出判斷，并通過流水線各級轉(zhuǎn)送加以處理,，而不需要加入空操作（NOP）,，極大的提高了代碼的執(zhí)行效率。

5.3 分支跳轉(zhuǎn)指令

5.3.1 有條件的分支跳轉(zhuǎn)

RV32I 中的條件跳轉(zhuǎn)就是通過比較兩個寄存器的值，進行分支跳轉(zhuǎn)：

• beq：相等
• bne：不相等
• bge/bgeu：大于等于
• blt/bltu：小于

5.3.2 無條件的分支跳轉(zhuǎn)

無條件跳轉(zhuǎn)指令可以細分為直接跳轉(zhuǎn)和間接跳轉(zhuǎn),。直接跳轉(zhuǎn)指令JAL 如下圖所示：

• JAL 指令執(zhí)行過程是這樣的,。它會把20位立即數(shù)做符號位擴展。并左移一位,，產(chǎn)生一個32位符號數(shù),。然后，將該32位符號數(shù)和PC相加來產(chǎn)生目標地址（這樣,，JAL 可以作為短跳轉(zhuǎn)指令,，跳至PC+1MB的地址范圍內(nèi)）
• 同時JAL 會把緊隨其后的那條指令地址，存入目標寄存器中,。這樣,，如果目標寄存器是零，則JAL就等同GOTO指令,；如果目標寄存器不為零,，JAL可以實現(xiàn)函數(shù)調(diào)用功能。

間接跳轉(zhuǎn)直接JALR如下：

• JALR指令會把12位立即數(shù)和源寄存器相加,，并把相加結(jié)果末位清零,，作為新的跳轉(zhuǎn)地址,。同時和JAL指令一樣，也會把緊隨其后的那條指令地址，存入目標寄存器中,。

5.4 其他指令

除了內(nèi)存地址空間和通用寄存器地址空間外，RISC-V 還定義了一個獨立的控制和狀態(tài)寄存器地址空間（Control Status Register） 每個處理器實現(xiàn)的CSR會因設(shè)計目標不同而有差異,，但是這些CSR的訪問方式卻是一樣的,，訪問這些CSR指令定義在了用戶指令集中(Zicsr指令集擴展)

有了上圖這些CSR 指令，能夠讓我們輕松的訪問一些程序性能計數(shù)器,。這些計數(shù)器包括系統(tǒng)時間,、時間周期以及執(zhí)行的指令數(shù)目。