一文详解RISC-V指令集
1. 指令集 1.1 指令集 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
1.2 指令集架构 指令架构（instruction set architecture, 缩写为isa），是软件和硬件的接口，不同的应用需求，会有不同的指令架构。要设计一款cpu 指令体系就是设计的出发点。
2. risc-v 指令集架构 risc-v 指令有以下特点：
完全开放 指令简单 模块化设计，易于扩展 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
要满足现在操作系统和应用程序的基本运行，rv32g指令集或者rv64g指令集就够了。rv32g和rv64g指令集只有寄存器位宽和寻址大小不同。这些指令按照功能可以分为如下几类：
整数运算指令：算术、逻辑、比较等基础运算功能。 分支转移指令：实现条件转移、无条件转移操作 加载存储指令：实现字节、半字(half word)、字(word)、双字（rv64i）的加载，存储操作，采用的都是寄存器相对寻址方式 控制与状态寄存器访问指令：实现对系统控制与系统状态寄存器的原子读-写、原子读-修改、原子读-清零等操作 系统调用指令：实现系统调用功能。 原子指令：用于各种同步锁 单双浮点指令：实现浮点运算操作 从上表我们可以看到，risc-v 指令集具有模块化特点。这就允许我们根据自己的需求，选择一个基础指令集，加上若干个扩展指令集灵活搭配，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.
作为初学者，我们了解risc-v 的核心即可。它的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。
rv32i 指令集：
rv32i 指令集如图所示，把带下划线的字母从左至右连接组合就是组成了rv32i指令。{}表示集合中垂直方向的每个项目指令不同变体。变体用下划线字母或者下划线表示表示，如果大括号里面只有下划线，则表示对此变体不需要用字母表示
我们结合具体例子来看：下图表示了bge、blt、bgeu、bltu四个指令。
3. 指令格式 下图是risc-v 指令格式，从下图可以看到rsic-v共六种指令格式。
opcode :指令操作码 imm：代码立即数 func3和funct7：代表指令对应的功能 rs1：源寄存器1 rs2：源寄存器2 rd：目标寄存器（rsic-v 一个指令可以提供三个寄存器操作） 六种指令格式作用如下：
序号 指令类型 作用
1 r 型指令 用于寄存器和寄存器操作
2 i 型指令 用于短立即数和内存载入指令load操作
3 s 型指令 用于内存存储store操作
4 b 型指令 用于有条件跳转操作
5 u 型指令 用于长立即数操作
6 j 型指令 用于无条件跳转操作
4.寄存器 在risc-v 的规范里面定义了32 个通用寄存器。其中31个是常规寄存器，1个恒为0值的x0寄存器。
0值寄存器是为了满足汇编语言程序员和编译器编写者的使用需要，他们可以使用x0寄存器作为操作数，来完成功能相同的操作。
addi x0,x0,0 ; 0 = 0 + 0,相当于 nop 空指令 rsic-v 寄存器说明
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 （thread pointer）
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 需要保存的寄存器
x10~x11 a0~a1 函数传递参数寄存器或者函数返回值寄存器
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. rv32i 指令解读 5.1 算术与逻辑指令 在rv32i 中包括算术指令（add/sub）、数值比较指令(slt)、逻辑指令(and/or/xor)以及移位指令(sll/srl/sra)这几种指令。
这些指令和其他指令集差不多，它们从寄存器读取两个32位的值，并将32位运算结果再写回到目标寄存器。
i型指令：立即数算术运算
r型指令：寄存器与寄存器操作指令
需要指出的是，在寄存器与寄存器操作的算术指令中。必须要有减法指令。这和立即数操作指令不同。
5.2 load 和 store 指令 在risc-v 指令集中，对内存的读写只能通过load 和 store 指令实现。而其他的指令只能以寄存器为操作对象。
如上图所示，load 和 store 的寻址模式只能是符号扩展12位的立即数，加上基地址寄存器得到访存的存储器地址。因为没有了复杂的内存寻址方式，这让cpu 流水线可以对数据冲突提前做出判断，并通过流水线各级转送加以处理，而不需要加入空操作（nop），极大的提高了代码的执行效率。
5.3 分支跳转指令 5.3.1 有条件的分支跳转 rv32i 中的条件跳转就是通过比较两个寄存器的值，进行分支跳转：
beq：相等 bne：不相等 bge/bgeu：大于等于 blt/bltu：小于 5.3.2 无条件的分支跳转 无条件跳转指令可以细分为直接跳转和间接跳转。直接跳转指令jal 如下图所示：
jal 指令执行过程是这样的。它会把20位立即数做符号位扩展。并左移一位，产生一个32位符号数。然后，将该32位符号数和pc相加来产生目标地址（这样，jal 可以作为短跳转指令，跳至pc+1mb的地址范围内） 同时jal 会把紧随其后的那条指令地址，存入目标寄存器中。这样，如果目标寄存器是零，则jal就等同goto指令；如果目标寄存器不为零，jal可以实现函数调用功能。 间接跳转直接jalr如下：
jalr指令会把12位立即数和源寄存器相加，并把相加结果末位清零，作为新的跳转地址。同时和jal指令一样，也会把紧随其后的那条指令地址，存入目标寄存器中。 5.4 其他指令 除了内存地址空间和通用寄存器地址空间外，risc-v 还定义了一个独立的控制和状态寄存器地址空间（control status register）每个处理器实现的csr会因设计目标不同而有差异，但是这些csr的访问方式却是一样的，访问这些csr指令定义在了用户指令集中(zicsr指令集扩展)
有了上图这些csr 指令，能够让我们轻松的访问一些程序性能计数器。这些计数器包括系统时间、时间周期以及执行的指令数目。
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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
1.2 指令集架构 指令架构（instruction set architecture, 缩写为isa），是软件和硬件的接口，不同的应用需求，会有不同的指令架构。要设计一款cpu 指令体系就是设计的出发点。
2. risc-v 指令集架构 risc-v 指令有以下特点：
完全开放 指令简单 模块化设计，易于扩展 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
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作为初学者，我们了解risc-v 的核心即可。它的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。
rv32i 指令集：
rv32i 指令集如图所示，把带下划线的字母从左至右连接组合就是组成了rv32i指令。{}表示集合中垂直方向的每个项目指令不同变体。变体用下划线字母或者下划线表示表示，如果大括号里面只有下划线，则表示对此变体不需要用字母表示
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3. 指令格式 下图是risc-v 指令格式，从下图可以看到rsic-v共六种指令格式。
opcode :指令操作码 imm：代码立即数 func3和funct7：代表指令对应的功能 rs1：源寄存器1 rs2：源寄存器2 rd：目标寄存器（rsic-v 一个指令可以提供三个寄存器操作） 六种指令格式作用如下：
序号 指令类型 作用
1 r 型指令 用于寄存器和寄存器操作
2 i 型指令 用于短立即数和内存载入指令load操作
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4 b 型指令 用于有条件跳转操作
5 u 型指令 用于长立即数操作
6 j 型指令 用于无条件跳转操作
4.寄存器 在risc-v 的规范里面定义了32 个通用寄存器。其中31个是常规寄存器，1个恒为0值的x0寄存器。
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x1 ra 用于返回地址(return address)
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这些指令和其他指令集差不多，它们从寄存器读取两个32位的值，并将32位运算结果再写回到目标寄存器。
i型指令：立即数算术运算
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需要指出的是，在寄存器与寄存器操作的算术指令中。必须要有减法指令。这和立即数操作指令不同。
5.2 load 和 store 指令 在risc-v 指令集中，对内存的读写只能通过load 和 store 指令实现。而其他的指令只能以寄存器为操作对象。
如上图所示，load 和 store 的寻址模式只能是符号扩展12位的立即数，加上基地址寄存器得到访存的存储器地址。因为没有了复杂的内存寻址方式，这让cpu 流水线可以对数据冲突提前做出判断，并通过流水线各级转送加以处理，而不需要加入空操作（nop），极大的提高了代码的执行效率。
5.3 分支跳转指令 5.3.1 有条件的分支跳转 rv32i 中的条件跳转就是通过比较两个寄存器的值，进行分支跳转：
beq：相等 bne：不相等 bge/bgeu：大于等于 blt/bltu：小于 5.3.2 无条件的分支跳转 无条件跳转指令可以细分为直接跳转和间接跳转。直接跳转指令jal 如下图所示：
jal 指令执行过程是这样的。它会把20位立即数做符号位扩展。并左移一位，产生一个32位符号数。然后，将该32位符号数和pc相加来产生目标地址（这样，jal 可以作为短跳转指令，跳至pc+1mb的地址范围内） 同时jal 会把紧随其后的那条指令地址，存入目标寄存器中。这样，如果目标寄存器是零，则jal就等同goto指令；如果目标寄存器不为零，jal可以实现函数调用功能。 间接跳转直接jalr如下：
jalr指令会把12位立即数和源寄存器相加，并把相加结果末位清零，作为新的跳转地址。同时和jal指令一样，也会把紧随其后的那条指令地址，存入目标寄存器中。 5.4 其他指令 除了内存地址空间和通用寄存器地址空间外，risc-v 还定义了一个独立的控制和状态寄存器地址空间（control status register）每个处理器实现的csr会因设计目标不同而有差异，但是这些csr的访问方式却是一样的，访问这些csr指令定义在了用户指令集中(zicsr指令集扩展)
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