一.介紹

指令系統：計算機語言中的單詞成為指令，而這個詞匯表就是指令系統。

指令集架構（ISA）

????????x86：傳統pc市場的主流，善于處理大數據。

????????ARM：移動端設備（手機）市場，處理快數據為主。

????????RISC-V：當需要同時兼顧數據傳輸速度和傳輸量時，RISC-V更有優勢。

更重要的是RISC-V是開源的。

二.計算機硬件的操作

主要包括：算術運算、邏輯運算、數據傳輸、移位操作、條件分支、無條件跳轉。

數據存儲模式：大端存儲，小端存儲。

大端：高位字節排放在內存的低地址端，低位字節排放在內存的高地址端。

小端：低位字節排放在內存的低地址端，高位字節排放在內存的高地址端。

設計原則：簡單源于規整、優秀的設計需要適當的折中、更少則更快（寄存器數量太多可能會增加時鐘周期）。

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三.計算機中的指令表示

RISC-V常見指令表示：R型，I型，S型，B型，J型指令

R型：一般用于寄存器-寄存器操作。

I型：一般用于立即數訪問和load操作。

S型：用于訪存store操作。

B型：用于條件跳轉操作。

J型：用于無條件操作。

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R型：一般用于寄存器-寄存器操作。

funct7(7bit)

rs2(5bit)

rs1(5bit)

funct3(3bit)

rd(5bit)

opcode(7bit)

funct7：操作碼字段。

funct3：操作碼字段。

rs2：第二個源操作數寄存器。

rs1：第一個源操作數寄存器。

rd：目的操作數寄存器，存放操作結果。

opcode：（操作碼）指令的基本操作。

下面以add x9,x20,x21為例介紹。

0000000

10101

10100

000

01001

0110011

01001：9? ? ? ? 10100：20? ? ? ? 10101：21

通過funct7，funct3，opcode來識別是一個R型加法指令

將x20寄存器中的值加上x21寄存器中的值相加的結果存放到x9寄存器中。

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I型：一般用于短立即數和訪存操作

immediate（12bit）

rs1(5bit)

funct3(3bit)

rd(5bit)

opcode(7bit)

注意：計算機中是以補碼形式存儲immediate;12位立即數。立即數范圍-2^11到（(2^11)-1）(-2048到2047)

下面以lb?x9，64（x22）介紹

lb x9,64(x22)

000001000000

10110

000

01001

0000011

?000001000000 ：64? ? ? ? 10110：22? ? ? ? 01001：9

解釋：將rs1地址偏移立即數位空間中的值存儲到rd所指的寄存器空間中。

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S型：用于訪存store操作

immediate[11:5]（7bit）

rs2（5bit）

rs1（5bit）

funct3（3bit）

immediate[4:0]（5bit）

opcode（7bit）

個人理解這里的立即數為何這樣存儲：為了規整，將原本的rd用來存儲立即數的低5位。

下面以sb x5,40(x6)介紹

sb x5,40(x6)

0000001

00101

00110

000

01000

0100011

000000101000:40? ? ? ? 00101：5? ? ? ? 00110：6

解釋：將rs2寄存器中的值存儲到rs1寄存器偏移立即數位地址中去。

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B型：有條件分支

immediate[12,[10:5]]（7bit）

rs2（5bit）

rs1（5bit）

funct3（3bit）

immediate[[4:1],11]（5bit）

opcode（7bit）

注意：13位立即數，末尾始終為0；

B型立即數格式(末尾時鐘為零）

imm[12]

imm[11]

imm[10:5]

imm[4:1]

0

下面以beq x5,x6,100為例

beq x5,x6,100

0000011

00110

00101

000

00100

1100011

代碼中整理出的立即數

0

0

000011

0010

0

? ? ? ?注意在使用b型指令時，代碼末尾別忘了補個0（或者獲取的立即數別忘了左移一位）。解釋：如果rs1和rs2寄存器中的值相等，則pc跳轉到pc+immediate位置去，這是要重建流水線的。

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J型：無條件跳轉

immediate[20,[10:1],11,[19:12]] (20bit)

rd (5bit)

opcode (7bit

J型立即數（20位）

immediate[20] immediate[19:12] immediate[11] immediate[10:1] 0

下面以jal x1,100為例

jal x1,100

00000110010000000000

00001

1101111

代碼中立即數

0

00000000

0

0000110010

0

? ? ? ? 寫代碼時，末尾補0別忘了

解釋：將pc+4存儲到rd寄存器中，同時pc跳轉到pc+立即數位置去。

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U型：格式和B型類似，20位大立即數操作

immediate[31:12]

rd

opcode

vfd

與J型區別在于立即數放的位置

下面以lui x1,0xf0000為例

lui x1,0xf0000

11110000000000000000

00001

0110111

解釋：rd寄存器存儲立即數? x1=0xf0000;

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常見操作及其指令

1、算術運算指令

包括addi，slti，sltiu，add，sub，slt，sltu。

slt比較指令 指令后邊加i 一般表示是指令中有立即數，而u表示有無符號。

immediate[11:0]		rs1	000	rd	0010011	addi(I型)
immediate[11:0]		rs1	010	rd	0010011	slti(I型)
immediate[11:0]		rs1	011	rd	0010011	sltiu(I型)
0000000	rs2	rs1	000	rd	0110011	add(R型)
0100000	rs2	rs1	000	rd	0110011	sub(R型)
0000000	rs2	rs1	010	rd	0110011	slt(R型)
0000000	rs2	rs1	011	rd	0110011	sltu(R型)

2、移位指令

包括slli，srli，srai，sll，srl，sra。

注意立即數移位指令中立即數（shamt）的范圍：（這里立即數是5位的立即數）具體如下表：

0000000	shamt	rs1	001	rd	0010011	slli(I型)
0000000	shamt	rs1	101	rd	0010011	srli(I型)
0100000	shamt	rs1	101	rd	0010011	srai(I型)
0000000	rs2	rs1	001	rd	0110011	sll(R型)
0000000	rs2	rs1	101	rd	0110011	srl(R型)
0100000	rs2	rs1	101	rd	0110011	sral(R型)

注意邏輯右移和算術右移是由區別的。

邏輯右移：數據向右移立即數位，空位填0。

算術右移：數據向右移立即數位，空位填最高位(符號位)。

為了區別這兩個機器碼的第30位用來作為判斷。具體仔細觀察上表。

3、邏輯操作指令

包括xori ，ori，andi，xor，or，and。

imm[11:0]		rs1	100	rd	0010011	xori(I型)
imm[11:0]		rs1	110	rd	0010011	ori(I型)
imm[11:0]		rs1	111	rd	0010011	andi(I型)
0000000	rs2	rs1	100	rd	0110011	xor(R型)
0000000	rs2	rs1	110	rd	0110011	or(R型)
0000000	rs2	rs1	111	rd	0110011	and(R型)

小總結：算術運算，邏輯運算，移位運算這些基本運算指令一般都為R型或者I型指令

4、加載存儲指令

包括lb，ln，lw，lbu，lhu，sb，sh，sw。

作用就是將數據從寄存器中取出來，或者存儲到寄存器中去，不同在于每次取出多少（半字，字等）。

imm[11:0]		rs1	000	rd	0000011	lb(I型)
imm[11:0]		rs1	001	rd	0000011	lh(I型)
imm[11:0]		rs1	010	rd	0000011	lw(I型)
imm[11:0]		rs1	100	rd	0000011	lbu(I型)
imm[11:0]		rs1	101	rd	0000011	lhu(I型)
imm[11:5]	rs2	rs1	000	imm[4:0]	0100011	sb(S型)
imm[11:5]	rs2	rs1	001	imm[4:0]	0100011	sh(S型)
imm[11:5]	rs2	rs1	010	imm[4:0]	0100011	sw(S型)

5、控制轉移指令

主要是一些跳轉指令：beg，bne，blt，bge，bltu，bgeu，jalr，jal。

imm[12]	imm[10:5]	rs2	rs1	000	imm[4:1]	imm[11]	1100011	beq(B型)
imm[12]	imm[10:5]	rs2	rs1	001	imm[4:1]	imm[11]	1100011	bne(B型)
imm[12]	imm[10:5]	rs2	rs1	100	imm[4:1]	imm[11]	1100011	blt(B型)
imm[12]	imm[10:5]	rs2	rs1	101	imm[4:1]	imm[11]	1100011	bge(B型)
imm[12]	imm[10:5]	rs2	rs1	110	imm[4:1]	imm[11]	1100011	bltu(B型)
imm[12]	imm[10:5]	rs2	rs1	111	imm[4:1]	imm[11]	1100011	bgeu(B型)
imm[11:0]			rs1	000	rd		1100011	jalr(I型)
imm[20]	imm[10:1]	imm[11]	imm[19:12]		rd		1100011	jal(J型)

注意上述立即數存儲方式，在上面的B型指令講解中有提到。

總結

資源里有我使用FPGA寫的一個基于RISC-V的單周期CPU。目前不具備流水線，后續準備寫一個5級流水的單周期處理器，同樣會發布到博客上。希望大家評論給出意見。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的RISC-V指令系统的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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