RISC-V 入门 Part3: 指令格式

皋陶

先贴几个图

• RV32I 指令图
  

• 下面是具体的指令格式
  

• 下面是指令格式格式的展开
  

上面几张图可以在包云岗老师翻译的 RISC-V book 里面找到。

图 2.2 显示了六种基本指令格式，分别是:用于寄存器-寄存器操作的 R 类型指令，用于短立即数和访存 load 操作的 I 型指令，用于访存 store 操作的 S 型指令，用于条件跳转操作的 B 类型指令，用于长立即数的 U 型指令和用于无条件跳转的 J 型指令。图 2.3 使用图 2.2 的指令格式列出了图 2.1 中出现的所有 RV32I 指令的操作码.

为了帮助程序员，所有位全部是 0 是非法的 RV32I 指令。因此, 试图跳转到被清零的 内存区域的错误跳转将会立即触发异常，这可以帮助调试。类似地，所有位全部是 1 的指 令也是非法指令，它将捕获其他常见的错误，诸如未编程的非易失性内存设备、断开连接 的内存总线或者坏掉的内存芯片。

R-Format Instruction

R-Format 用于寄存器-寄存器操作

I-Format Instruction

用于短立即数和访存 load 操作的 I 型指令

很重要的是，RISC-V 所有的立即数都是 signed 的。例如：

除了这种 add imm. load 操作也是 I 型的：

Note: if instruction has immediate, then uses at most 2 registers (one source, one destination)

load 的模式通常是 load rd, rs 或者 load rd, imm(rs).

S-Format

需要保存2个 Register 和一个小的 imm:

RISC-V design decision is move low 5 bits of immediate to where rd field was in other instructions – keep rs1/rs2 fields in same place.

因为 store 只是把寄存器的存到内存中，所以没有“目标寄存器”。

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以上指令中，你会发现，RISC-V 希望 rs1 rs2 rd 三个寄存器 存在的话即有相同的位置。

• By always placing the read sources in the same place, the register file can read without hesitation. If the data ends up being unnecessary (e.g. I-Type), it can be ignored
  

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B-Format 和 Label

1. BEQx1,x2,Label

复制代码

上面是一个很正常的跳转指令，但是本身 .label 如何在机器码上存在呢？

在 RISC-V 中，一切都是有内存位置的，包括指令，那么跳转到对应指令的内存即可。在这里，因为 .code 端本身占用内存的大小有限，所以这里使用 PC-Relative Addressing:

• 使用 imm 字段，表示 PC 的二进制补码偏移量。（Could specify ± 211 addresses offset from the PC)
  

• To improve the reach of a single branch instruction, in principle, could multiply the offset by four bytes before adding to PC (instructions are 4 bytes and word aligned). 因为我们的 RV32I 都是 32bits 的，而且是 4bytes align 的，所以可以把偏移量 * 32
  

• This would allow one branch instruction to reach ± 211 × 32-bit instructions either side of PC
  

但是，考虑压缩指令，即扩展的 16-bit instructions，RISC-V 需要支持的还有 16bits 的扩展指令。

• To enable this, RISC-V always scales the branch offset by 2 bytes - even when there are no 16-bit instructions
  

所以需要处理 size, 不能 *32,

在 RISC-V 中，conditional branch 逻辑如下：

• 如果跳转成功了，PC = PC + imm, imm 是二进制补码，是 signed 的
• 否则，PC = PC + 4
  

最后，指令的支持形式如下

下面给了一个例子：

以上是 16bytes，而我们有 imm[12], 偏移量相当于乘了 byte，同时预留了一个虚拟 0 bit, 相当于 *2byte, 实在不够，会使用 branch + jal 的方式支持。

U-Format

用于长立即数的 U 型指令

• AUIPC – Add Upper Immediate to PC
• LUI – Load Upper Immediate
  

注意这俩对应的都是高位。可以用 lui + addi 构造 32位的数（毕竟立即数不够大）。

需要注意的是，addi 指令中，写入 imm[11:0], 看上去和 lui 没有冲突，但是如果构造 0xDEADBEEF这种，因为这辆都是二进制补码，需要处理低12位中，imm[11] 是 1的问题，这会导致整个结果成一个负数。

这里我们要回到二进制补码的特点：加一个负数的时候加法仍然是按位加的，但是进位是要从高位 -1 的 。这里需要高位再 +1 再处理。

J-Format

下面是 JAL 和 JALR

jal 根据 imm 来跳跃，rd 存储。这个 jal 中遵循和 branch 中一样的测试，即 *2byte

jalr 中，把结果存到寄存器中, 注意，这回儿它就不 *2byte 了

完