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1. RISC-V指令集概述

RISC-V指令集采用模块化，增量化设计理念

1.1 如何查看一个系统支持的指令集

cat /proc/cpuinfo

processor: 0
hart: 0
isa: rv64imafdcsu
mmu: sv48

2. 指令集扩展

从isa可知该系统支持的扩展指令集为 rv64imafdcsu：

• 64位整型最小指令集合 (I)
• 整型乘法和除法扩展指令 (M)
• 原子操作 (A)
• 单精度和双精度浮点数扩展指令 (F, D)
• 压缩扩展指令 ©
• 特权模式 (S)
• 用户模式 (U)

3. 指令编码

RISC-V指令集采用模块化设计，支持多种指令编码方式：

3.1 编码方式对比

变长指令编码 (Variable-length Instruction Encoding):

• 指令编码长度不固定
• 空间不受限制
• 芯片和编译器设计复杂

定长指令编码 (Fixed-length Instruction Encoding):

• 指令编码长度固定
• 芯片和编译器设计简单
• 缺点：指令编码空间固定，受限

3.2 RISC-V指令编码特点

• RISC-V CPU大部分采用32/16位固定编码
• 更宽的指令编码的缺点：
  • Code size变大
  • I cache命中率会下降
• RISC-V规范支持变长指令编码

3.3 指令长度编码格式

RISC-V支持多种指令长度，通过特定的位模式进行识别：

                         xxxxxxxxxxxxxxaa: 16位 (aa ≠ 11)
        xxxxxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxbbb11: 32位 (bbb ≠ 111)
...xxxx xxxxxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxx011111: 48位
...xxxx xxxxxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxx0111111: 64位
...xxxx xxxxxxxxxxxxxxxx xnnnxxxxx1111111: (80+16*nnn)位 (nnn ≠ 111)
...xxxx xxxxxxxxxxxxxxxx x111xxxxx1111111: 保留用于≥192位
base+4     base+2              base

3.4 RISC-V指令编码格式详解

RISC-V指令编码格式是其模块化设计的重要体现。

3.4.1 指令宽度

• 标准指令宽度: 32位。
• 压缩指令宽度: 16位 (用于减小代码体积)。
• 未来支持: 规范也支持64位指令，但目前尚未广泛应用。

3.4.2 指令编码目的

指令编码的目的是让CPU能够理解并执行特定的操作。
例如，让CPU执行加法运算：

add x3, x1, x2 // 表示 x1 + x2 = x3

3.4.3 指令Layout的关键元素

RISC-V指令的布局（layout）通常包含以下关键元素：

• 指令分类 Opcode: 用于指示指令的基本操作类型。
• 源操作数寄存器1 (rs1): 第一个源操作数的寄存器地址。
• 源操作数寄存器2 (rs2): 第二个源操作数的寄存器地址。
• 目标寄存器 (rd): 存储运算结果的寄存器地址。
• 立即数 (Immediate): 指令中直接包含的常量值。

3.4.4 寄存器与指令分类的位分配

• RISC-V架构支持32个通用寄存器。
• 索引这32个寄存器需要5位（因为 2^5 = 32）。
• 对于一个典型的三操作数指令（如 add x3, x1, x2），需要三个寄存器字段：源1 (rs1)、源2 (rs2) 和目标 (rd)。
• 这三个字段共占用 5 + 5 + 5 = 15 位。
• 在32位指令宽度中，剩余的 32 - 15 = 17 位可以用于指令分类（opcode）和其他功能码。

3.4.5 指令集设计考量

设计一套全新的指令集，其核心在于构思指令的布局（instruction layout），确保CPU和汇编器都能遵循这套统一的布局。

设计难点:
指令集设计是一门艺术，需要平衡芯片设计、编译器优化和操作系统支持等多个方面，以实现高效的整体性能。

3.5 RISC-V指令布局类型

RISC-V指令根据其布局特征，可以分为6种基本类型：

3.5.1 指令类型说明

类型	名称	用途	说明
R类型	Register-to-Register	寄存器与寄存器算术指令	如：add x1, x2, x3
I类型	Register-to-Immediate	寄存器与立即数算术指令或加载指令	如：addi x1, x2, 100
S类型	Store	存储指令	如：sw x1, 8(x2)
B类型	Branch	条件跳转指令	如：beq x1, x2, label
U类型	Upper Immediate	长立即数操作指令	如：lui x1, 0x12345
J类型	Jump	无条件跳转指令	如：jal x1, label

3.5.2 指令布局字段说明

字段名	位范围	用途	说明
opcode	[6:0]	操作码字段	用于指令的分类
funct3	[14:12]	功能码字段	与操作码字段结合定义指令操作功能
funct7	[31:25]	功能码字段	与操作码字段结合定义指令操作功能
rd	[11:7]	目标寄存器编号	存储运算结果的寄存器
rs1	[19:15]	源操作寄存器1编号	第一个源操作数寄存器
rs2	[24:20]	源操作寄存器2编号	第二个源操作数寄存器
imm	可变	立即数	带符号扩展的立即数值

3.5.3 32位指令布局图

指令编码整齐，rs1，rs2，rd都在固定位置，便于RTL实现，减少选择器。
立即数均是有符号数，加载到寄存器中需要进行符号扩展。

• 例如12位有符号数0x823，对应的二进制是 0b1000 0010 0011，最高位为1代表它是一个负数
• 计算过程：取反加1得到 0b0111 1101 1101 = 2013，所以0x823 = -2013

RV64指令集的数据和地址宽度为64位，为什么指令编码只有32位？

• 基于寄存器加载和存储的架构设计，所有的数据处理都是在通用寄存器中完成的
• 使用5bit可以索引32个通用寄存器
• 使用32位指令编码比64位指令编码有利于提高代码密度，更能提高指令cache命中概率。

RISC-V约定下面两种情况为非法指令：

• 低16位全是0，有可能跳转到刚初始化的内存区域
• 32位全为1，可能跳转到没有编程的存储器设备，断开的内存总线，出错的设备等
• 方便程序员提前捕捉错误

3.6 RISC-V汇编指令书写说明

RV64指令集中常用的符号说明如下：

3.6.1 寄存器符号

• rd: 表示目标寄存器，可以从x0~x31通用寄存器中选择。
• rs1: 表示源寄存器1，可以从x0~x31通用寄存器中选择。
• rs2: 表示源寄存器2，可以从x0~x31通用寄存器中选择。

3.6.2 寻址模式符号

• (): 通常用来表示寻址模式。
  • (a0) 表示以a0寄存器的值为基地址进行寻址。
  • 这个前面还可以加offset,表示偏移,例如8(a0),表示以a0寄存器的值为基地址,然后偏移8个字节进行寻址。

3.6.3 其他符号

• {}: 表示可选项。
• imm: 表示立即数。

4. 加载指令格式说明

RISC-V的加载指令（Load Instruction）格式如下所示，它定义了如何从内存中读取数据并存入寄存器。

4.1 指令汇编语法示例

l{d|w|h|b}{u} rd, offset(rs1)

4.2 指令位字段图

位范围	31-20	19-15	14-12	11-7	6-0
字段	imm[11:0]	rs1	funct3	rd	opcode
位数	12	5	3	5	7
说明	offset[11:0]	base	width	dest	LOAD

4.3 符号和字段解释

• {d|w|h|b}: 表示加载的数据宽度。
  • d: 双字 (Double-word)
  • w: 字 (Word)
  • h: 半字 (Half-word)
  • b: 字节 (Byte)
• {u}: 是可选项。如果存在，表示加载的数据为无符号数，即采用零扩展方式（Zero-extended）。如果不存在，表示加载的数据为有符号数，即采用符号扩展方式（Sign-extended）。
• rd: 表示目标寄存器，数据将加载到此寄存器中。
• rs1: 表示源地址寄存器，其值作为基地址。
• (rs1): 表示以 rs1 寄存器的值为基地址进行寻址，通常简称为 rs1 地址。
• offset: 表示以源寄存器 rs1 的值为基地址的偏移量。offset 是一个12位有符号数，其取值范围为 [-2048 ~ 2047]。

5. 存储指令格式说明

RISC-V的存储指令（Store Instruction）格式如下所示，它定义了如何将寄存器中的数据写入内存。

5.1 指令汇编语法示例

s{d|w|h|b} rs2, offset(rs1)

5.2 指令位字段图

位范围	31-25	24-20	19-15	14-12	11-7	6-0
字段	imm[11:5]	rs2	rs1	funct3	imm[4:0]	opcode
位数	7	5	5	3	5	7
说明	offset[11:5]	src	base	width	offset[4:0]	STORE

5.3 符号和字段解释

• {d|w|h|b}: 表示存储的数据宽度。
  • d: 双字 (Double-word)
  • w: 字 (Word)
  • h: 半字 (Half-word)
  • b: 字节 (Byte)
• rs1: 表示源地址寄存器，其值作为基地址。
• (rs1): 表示以 rs1 寄存器的值为基地址进行寻址，简称 rs1 地址。
• rs2: 源寄存器2，其值将被存储到内存中。
• offset: 表示以源寄存器 rs1 的值为基地址的偏移量。offset 是一个12位有符号数，取值范围为 [-2048 ~ 2047]。

示例：

.section .text
.global main
main:
	li a0, 0x80200000
	sd a0, (a0)
	li a1, 16
	lw t0, (a0)
	ld t1, (a0)
	lui t0, 0x8034f
	lui t1, 0x400
	nop

• 首先查看该地址处的值，通过x指令可看到0x80200000地址处8个字节为0x00000000 80200000
• lw t0, (a0) 加载了4个字节，由于最高位为1，会将最高位扩展至64位，t0中的值为0xffffffff 80200000
• ld t1, (a0) 加载了两个字，结果为 0x80200000
• lui t0, 0x8034f 将0x8034f左移12位，最高位为1，扩展符号后结果为0xffffffff8034f000
• lui t1, 0x400 将0x400左移12位，最高位为0，扩展符号后结果为0x00000000400000

6. PC相对寻址

6.1 PC（程序计数器）

PC: 程序计数器 (Program Counter, PC) 用来指示下一条指令的地址。

6.2 AUIPC指令

RISC-V指令集提供了1条PC相对寻址的指令: AUIPC

指令格式: auipc rd, imm

操作说明:

• 把imm立即数左移12位并符号扩展到64位后得到一个新的立即数
• 这个新的立即数是一个有符号的立即数
• 然后加上当前PC值，存储到rd寄存器中

寻址范围: 这条指令能寻址的范围为基于当前PC偏移±2GB

计算公式: rd = PC + Signed (imm << 12)

AUIPC指令寻址范围示意图:

PC-2GB ←—————————————— PC ——————————————→ PC+2GB

• 32位有符号数的范围即相对PC的寻址范围为±2GB，并且跳转的offset为4096的整数倍

6.3 LUI指令

LUI指令将一个立即数左移12位后得到一个32位立即数，并且最高位符号扩展到64位，LUI指令的imm为20位，范围为0~0xFFFFF

指令格式: lui rd, imm

6.4 示例

示例1：AUIPC和LUI指令执行

问题：假设当前PC值为0x80200000，分别执行如下指令，那么a5和a6寄存器的值是多少？

auipc a5, 0x2
lui   a6, 0x2

解答：

• a5寄存器的值：PC + sign_extend(0x2 << 12) = 0x80200000 + 0x2000 = 0x80202000
• a6寄存器的值：0x2 << 12 = 0x2000

分析：

• auipc指令将立即数左移12位并符号扩展后与PC相加
• lui指令将立即数左移12位后加载到寄存器的高20位

示例2：使用AUIPC进行PC相对寻址加载数据

问题：假设当前PC值为0x80200000，想加载0x80202008地址的数据，那用auipc指令怎么写？

背景知识：

• AUIPC指令通常和ADDI联合使用来实现32位PC相对寻址
• AUIPC指令可以寻址与被访问地址4KB对齐的地方，即被访问地址的高20位部分
• ADDI指令可以在[-2048 ~ 2047]范围内寻址，即被访问地址的低12位部分

解决方案1：使用AUIPC和ADDI

auipc a5, 2
addi a0, a5, 8
ld t0, (a0)

计算过程：

• auipc a5, 2：a5 = PC + (2 << 12) = 0x80200000 + 0x2000 = 0x80202000
• addi a0, a5, 8：a0 = 0x80202000 + 8 = 0x80202008
• ld t0, (a0)：从地址0x80202008加载数据到t0

解决方案2：使用AUIPC和立即偏移

auipc a5, 2
ld t0, 8(a5)

计算过程：

• auipc a5, 2：a5 = 0x80202000
• ld t0, 8(a5)：从地址a5 + 8 = 0x80202008加载数据到t0

6.5 计算高20位和低12位

如果知道了当前PC值和目标地址B，那如何计算AUIPC和ADDI指令的参数呢？

下图展示了PC、目标地址B以及中间计算值的关系：

PC <-------------- Offset -------------->
|--------------------------------------------------------------------|
|       ...  |               |          |               |     ...    |
|--------------------------------------------------------------------|
              <---- 4KB ---> A <-lo12-> B <---- 4KB ---> 

关键定义:

• B: 目标地址 (Target Address)
• offset: 地址B与当前PC值的偏移量。即 offset = B - PC。
• A: 地址B与4KB对齐的地方。在计算中，A 可以理解为 PC + (hi20 << 12)。
• lo12: 地址A与地址B的偏移量，即 lo12 = B - A。这是一个有符号的12位数值，取值范围为 [-2048 ~ 2047]。

计算步骤:
为了计算AUIPC指令的 hi20 立即数和ADDI指令的 lo12 立即数，我们可以按照以下步骤进行：

1. 计算总偏移量 offset:
   offset = B - PC

2. 计算AUIPC的 hi20 立即数:
   hi20 = (offset + 0x800) >> 12

   • 这里的 0x800 (即2048) 是为了进行四舍五入，确保 lo12 落在 [-2048, 2047] 的范围内。

3. 计算ADDI的 lo12 立即数:
   lo12 = offset - (hi20 << 12)

   • 这个 lo12 值就是 B - (PC + (hi20 << 12))，它表示从 PC + (hi20 << 12) (即图中的 A 点) 到目标地址 B 的精确偏移。

这个计算方法对于理解链接重定位非常重要。

6.6 与PC相关的加载和存储伪指令

在编写汇编代码时，当前PC值是未知的，计算hi20和lo12的过程通常留给链接器在重定位时完成。RISC-V定义了几种常用的伪指令，这些伪指令都是基于AUIPC指令的。

表 3.4 与PC相关的加载和存储伪指令

伪指令	指令组合	说明
la rd, symbol (非PIC)	auipc rd, delta[31:12] + delta[11] addi rd, rd, delta[11:0]	加载符号的绝对地址。这里delta = symbol - pc
la rd, symbol (PIC)	auipc rd, delta[31:12] + delta[11] l{w/d} rd, rd, delta[11:0]	加载符号的绝对地址。这里delta = GOT[symbol] - pc，表示从全局偏移表加载
lla rd, symbol	auipc rd, delta[31:12] + delta[11] addi rd, rd, delta[11:0]	加载符号的本地地址。这里delta = symbol - pc
l{b|h|w|d} rd, symbol	auipc rd, delta[31:12] + delta[11] l{b|h|w|d} rd, delta[11:0](rd)	将符号的内容加载到寄存器rd中
s{b|h|w|d} rd, symbol, rt	auipc rt, delta[31:12] + delta[11] s{b|h|w|d} rd, delta[11:0](rt)	将寄存器rd的内容存储到符号中。这里rt是用于地址计算的临时寄存器
li rd, imm	根据情况扩展为多条指令	将立即数imm加载到寄存器rd中

伪指令说明

1. 地址加载伪指令

• la (Load Address): 加载符号的地址到寄存器
  • 非PIC版本: 直接计算符号地址，适用于静态链接
  • PIC版本: 通过全局偏移表(GOT)加载，适用于位置无关代码

2. 本地地址加载伪指令

• lla (Load Local Address): 加载本地符号的地址，总是使用PC相对寻址

3. 内容加载/存储伪指令

• l{b|h|w|d}: 加载字节/半字/字/双字内容
• s{b|h|w|d}: 存储字节/半字/字/双字内容
• 这些伪指令自动处理地址计算，简化了编程

4. 立即数加载伪指令

• li (Load Immediate): 根据立即数大小自动选择最优的指令组合

使用示例

# 加载符号地址
la t0, global_var        # 加载全局变量地址到t0

# 加载符号内容
lw t1, global_var       # 加载全局变量的值到t1

# 存储到符号
sw t2, global_var       # 将t2的值存储到全局变量

# 加载立即数
li t3, 0x12345678       # 加载32位立即数到t3

7. 非对齐访问

在RISC-V中没有强制约束不对齐访问，让CPU设计者做出选择：

1. 由硬件实现非对齐访问。
2. 遇到非对齐访问时触发异常由软件处理。