指令系统
指令集
指令集从本质上可以分为复杂指令集（Complex Instruction Set Computing，CISC）和精简指令集（Reduced Instruction Set Computing，RISC）两种。复杂指令集的特点是能够在一条指令内完成很多事情。
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。
RISC-V指令集使用模块化的方式进行组织，每一个模块使用一个英文字母来表示。最基本也是唯一强制要求实现的指令集部分是I字母代表的基本整数指令集。
RISC-V指令格式
常见的RISC-V指令集如下表所示
| 基本指令集 | 含义 |
|---|---|
| RV32I | 32位整数指令集 |
| RV32E | RV32I的子集，用于小型嵌入式场景 |
| RV64I | 64位整数指令集，兼容RV32I |
| RV128I | 128位整数指令集，兼容RV64I和RV32I |
RISC-V有六种基本指令格式：
| 指令类型 | 操作 |
|---|---|
| R-type | 用于寄存器-寄存器操作 |
| I-type | 用于短立即数和访存 load 操作 |
| S-type | 用于访存 store 操作 |
| B-type | 用于条件跳转操作 |
| U-type | 用于长立即数 |
| J-type | 用于无条件跳转 |
在RISC-V中对于所有指令，要读写的寄存器的标识符总是在同一位置，意味着在解码指令之前，就可以先开始访问寄存器，这些格式的立即数字段总是符号扩展，符号位总是在指令中最高位，各种类型的指令构成如下图所示：
| 字段 | 含义 |
|---|---|
| opcode(操作码) | 指令的基本操作，这个缩写是它惯用名称 |
| rd | 目的操作寄存器，用来存放操作结果 |
| funct3 | 一个另外的操作码字段 |
| rs1 | 第一个源操作数寄存器 |
| rs2 | 第二个源操作数寄存器 |
| funct7 | 一个另外的操作码字段 |
| imm | 立即数 |
R型指令
R型指令构成如下：
R型的全部指令（RV32I）
R型指令包括加法、减法、逻辑运算、移位运算。
示例：
add a0, a1, a2 //a0 = a1 + a2
sub a0, a1, a2 //a0 = a1 - a2
sll a0, a1, a2 //a0 = a1 << a2(低位补0)
srl a0, a1, a2 //a0 = a1 >> a2(高位补0）
sra a0, a1, a2 //a0 = a1 >> a2 (算术右移，高位补原来的符号位)
slt a0, a1, a2 //a1 < a2 ? a0 = 1 : a0 = 0
xor a0, a1, a2 //a0 = a1 ^ a2
or a0, a1, a2 //a0 = a1 | a2
and a0, a1, a2 //a0 = a1 & a2
I型指令
I型指令构成如下：
I型的全部指令（RV32I）
I型指令包括立即数的运算和load指令。
示例：
addi a0, a1, 0x5 //a0 = a1 + 0x5
subi a0, a1, 0x05 //a0 = a1 - 0x05
slli a0, a1, 0x05 //a0 = a1 << 0x05(低位补0)
srli a0, a1, 0x05 //a0 = a1 >> 0x05(高位补0）
srai a0, a1, 0x05 //a0 = a1 >> 0x05 (算术右移，高位补原来的符号位)
slti a0, a1, 0x05 //a1 < 0x05 ? a0 = 1 : a0 = 0
xori a0, a1, 0x05 //a0 = a1 ^ 0x05
ori a0, a1, 0x05 //a0 = a1 | 0x05
andi a0, a1, 0x05 //a0 = a1 & 0x05
示例：
lb x10, 0(x1) //将x1的值加上0,将这个值作为地址， 取出这个地址所对应的内存中的值， 将这个值赋值给x10(取出的是8位数值)
lh x10, 0(x1) //从内存中取出16位数值
lw x10, 0(x1) //从内存中取出32位数值
lbu x10, 0(x1) //从内存中取出8位无符号数值
lhu x10, 0(x1) //从内存中取出16位无符号数值
S型指令
S型指令构成如下：
S型的全部指令（RV32I）
S型指令包括store指令。
示例：
sb x10, 0(x1) //x1的值加上0,将这个值作为地址， 将x10的值存储到上述地址所对应的内存中去 (只会将x10的值的低8位写入)
sh x10, 0(x1) //只会将x10的值的低16位写入
sw x10, 0(x1) //只会将x10的值的低32位写入
B型指令
B型指令构成如下：
（注：imm[0]被丢弃，因为它始终为零）
///-----------------------------------------------------------------------------------------------------------
分支跳转指令的基址是分支指令所在地址，偏移量offset为0会导致指令卡死，形成无限循环。
bne指令会比较 x9和 x0 的值。
如果不相等，程序将跳转到 PC + 0，即下一条指令。
bne x9, x0, 0 的行为：
- 当
x9和x0不相等时，程序计数器（PC）会被设置为PC + (offset << 1)，其中offset是一个相对偏移量。如果offset是0，则计算结果是PC + 0，即程序计数器不会改变，指向当前指令地址，这会导致以下行为：- 指令重新执行：程序计数器保持不变，指向当前指令，这意味着处理器将不断地重新执行这条
BEQ指令。 - 无限循环：由于
rs1和rs2的值不变且相等，条件总是满足，导致程序卡在这条指令上，形成无限循环。
- 指令重新执行：程序计数器保持不变，指向当前指令，这意味着处理器将不断地重新执行这条
bne x9 x0 0
0000000,00000,01001,001,0000,0,1100011
imm[4:1]=0000
偏移量offset 是一个12位的值，在指令中存储时，它已经经过左移一位的处理，即存储的偏移量实际上是 offset << 1。
当需要计算分支目标地址时，处理器会将 offset 左移一位，得到实际的字节偏移量。
bne x9 x0 4
0,000000,00000,01001,001,0010,0,1100011
imm[4:1]=0010
bne x9 x0 8
0000000,00000,01001,001,0100,0,1100011
imm[4:1]=0100
///-----------------------------------------------------------------------------------------------------------
B型的全部指令（RV32I）
B型指令包括条件跳转指令。
示例：
beq a1,a2,Label //if(a1==a2){goto Label;}
bne a1,a2,Label //if(a1!=a2){goto Label;}
blt a1,a2,Label //if(a1< a2){goto Label;}
bgt a1,a2,Label //if(a1> a2){goto Label;}
bge a1,a2,Label //if(a1<=a2){goto Label;}
ble a1,a2,Label //if(a1>=a2){goto Label;}
U型指令
U型指令构成如下：
U型的全部指令（RV32I）
示例“”
lui x10, 0x65432 //得到立即数的高20位，低位补0，立即数范围为：0x00~0xFFFFF
J型指令
J型指令构成如下：
J型的全部指令（RV32I）
示例：
jal ra, symbol // 跳转到Symbol中去, 并把ra设置成返回地址 Symbol 可以是自定义的Label ,也可以是某个函数名
jal ra, 100 // 跳转到pc + 100 * 2的地方中去, 并把ra设置成返回地址 pc相对寻址，对应的是位置无关代码（PIC)
jalr ra, 40(x10) // 跳转到x10+40 的地方中去, 并把ra设置成返回地址x10+40必须是绝对地址，指向内存中某个确定的地方（往往是函数的开头），非PIC
通用寄存器
RV32I有32个通用寄存器，以及一个PC寄存器。其中有一个通过硬件设置的值恒为 0 的 x0 寄存器
注：RISC-V的32个寄存器x0～x31是用0～31这些数字来表示。
参考资料：
RISC-V 指令集介绍
