计基2—RISCV指令集介绍与汇编

Posted 2022-08-29 苍山有雪，剑有霜

和学校里学的x86架构不同，RISC-V指令格式的设计十分简洁、高效。为了在下一节课能够更好地理解如何搭建CPU，首先需要对RISC-V指令集有基本的了解。该文章大部分图片来自彭东老师的计算机基础实战。

什么是指令集？

先来看一个问题，什么是指令集？或者说，什么是指令？

我们都知道，CPU是基于晶体管、电阻、电容等基本元器件所实现的集成电路，那么实际上它是如何工作的呢？

抽象成数字电路来看，当我们给CPU的一些指定端口传入**“有意义”的高低电平时，CPU内部的逻辑电路就会按照“事先设计的规则”进行运转，并在一些端口输出最终“计算的结果”**。用一幅图来描述这个过程：

上图“有意义的高低电平”就是所谓的指令，而右侧的端口输出就是执行这一指令所得到的结果。为便于理解，我们想象一个极其简易的CPU（说CPU都抬举它了···），它有三个输入端口，一个输出端口，其内部只有一个双路选择器，功能也很简单，根据指定的输入高低电平，选择某一路输入端口的数据作为输出，如下：

我们约定，其中一个输入端口In0用来控制双路选择器：如果In0端口是低电平0，则双路选择器接通In1，输出端口Out0的值就是In1，反之则反。

例如，我们输入100（这是二进制表示，最后的0表示In0），则Out0输出0；如果输入101，则Out0输出1.

前面所说的100和101就是一个极其简易的指令。

相信到这，你应该知道指令到底是个什么东西了吧，它其实有两个鲜明的特征：事先约定、CPU实现。

也就是说这些指令是在搭建CPU之前就已经约定好的，而后实现的CPU必须按照指令来实现相应的功能。

**那什么是指令集呢？**当CPU内部逻辑电路比上面所说的双路选择器复杂成千上万倍时，它可以完成各种各样的功能，自然也需要多种多样的指令，这些指令共同构建了一个指令集。

现在较为常见的指令集主要有Intel的x86指令集（微机原理所学的8086微处理器正是基于此）、AMD64指令集、ARM、RISC-V等等。

另外，按照指令集的复杂与否，可以将指令集分为两类：CISC（Complex Instruction Set Computers ）和RISC（Reduced Instruction Set Computer）。两者的区别主要在于，寻址方式是否复杂、指令编码是否统一等等，更详细的资料可以参考CISC与RISC。

有意思的是，现在的RISC与CISC其实两者都是一种优势互补的姿态，比如CISC的代表x86体系其实早就开始“偷学”了：它表面的指令集并没有变，但是在CPU内部进行译码时，会将指令解析成多条内部微码，而这写内部微码与RISC有许多相似的地方。

RISC-V指令集

上面简单讲了指令集是什么与RISC、CISC的区别，下面我们专注于其中一个指令集RISC-V。

RISC最初起源于加州伯克利分校的一个4人团队，RISC-V是研究团队在2010年推出的第五代RISC体系，读作“risk-five”，由于它的免费、开源和高效，RISC-V很快便引来越来越多的科技巨头的加入。

基础指令与扩展指令

RISC-V的指令集由两部分构成：基础指令与扩展指令。如下图所示：

其中，根据寄存器位宽和地址空间不同，分为32、64、128位三种不同整数指令集（用I表示）。整数指令集包括算术、逻辑、分支、访存（访问内存）指令等，已经可以实现一个完整的软件栈。

如果一些CPU有更多的功能要求，可以在基础指令的基础上组装扩展指令，扩展指令主要有以下这些：

• M：乘除法、取模求余指令
• F：单精度浮点指令
• D：双精度浮点指令
• Q：四倍浮点指令
• A：原子操作指令，例如常见的cas（compare and swap）指令
• C：压缩指令，主要用于改善程序大小
• G：= I+M+A+D+F，表示通用处理器所包含的指令集
• 其他可参考：RISC-V官方手册

通常使用RISC-V指令集的CPU通常采用这样的命名方式：RV【位宽】【支持的指令】，例如RV32I表示基于32位整数指令构建的；而RV64IMAC表示在64位整数指令集上增加了乘除法、原子、压缩指令集。

寄存器

按理来说接下来应该继续讲解RISC-V指令集的具体指令格式，但是指令格式和寄存器联系紧密，必须先对寄存器构成有基本的了解。

RISC-V定义了32个通用寄存器和一个PC寄存器（看到这可以先想想8086的寄存器类型，区别很明显），寄存器的位宽和指令集位宽匹配。下图列出了32个寄存器的ABI名称和功能说明：

表中的 ABI 全称为 Application Binary Interface，即应用程序二进制接口，可以理解为寄存器别名，在高级语言在生成汇编语言的时候会用到它们。

OK，继续讲指令格式！

指令格式

我们先挑选最基础的RV32I来看看它的指令命令方式，值得注意的是，RV32I包含的指令是固定、永远不会改变的，相应指令的取名方式如下图：

可以看到，RV32I指令集中的指令命名方式有很明显的特点：由英文首字母拼成。如branch equal缩写位be，表示当条件相等时进行分支跳转。之后的章节中遇到不动的指令都可以跳转到这进行查看。

实际上，RISC-V指令根据格式特点可以分为六种类型（Type）：

• R Type：用于寄存器——寄存器之间的操作 （Register）
• I Type：短立即数及内存访问操作（Immediate）
• S Type：用于内存store操作 （Store）
• B Type：用于条件跳转操作 （Branch）
• U Type：用于长立即数操作
• J Type：用于无条件跳转操作 （Jump）

它们的指令格式如下图所示：

上图opcode表示指令操作码，通过这7位就知道这是一个什么指令；rs1、rs2、rd分别表示源寄存器1、2以及目的寄存器；imm代表立即数；funct3、funct7代表指令对应的功能，这在之后会讲。

仔细观察上图的指令格式可以发现：三个寄存器都固定在指令同样的位置，这为指令译码提供了便利。

接下来我们就来看看RV32I中立即数的算术逻辑指令（I-Type）长什么样子，如下图：

首先根据指令命名方式判断左侧的含义，从上到下依次为，立即数与源寄存器相加addi、寄存器小于立即数slti、寄存器小于立即数无符号版本sltiu、立即数与源寄存器异或xori、立即数与源寄存器按位或ori、立即数与源寄存器按位与andi、寄存器根据立即数逻辑右移slli、寄存器根据立即数逻辑右移srli、寄存器根据立即数算术右移srai，不清楚的朋友可以回到上文去查看英文全称。

顺带一提，左移（不管是什么左移）会在末尾补0，算术右移在最高位补充符号位，而逻辑右移在最高位补充0。为什么要区分逻辑右移和算术右移呢？这是从计算的角度思考的，无论正数负数，右边加0都等同于乘以2；而负数进行逻辑右移的结果不等于除以2，需要用算术右移；但如果只有算术右移，无符号数的运算受到影响，因此需要逻辑右移。

最右侧的“0010011”就是之前提到的指令操作码。

寄存器与寄存器的操作的指令格式如下，区别仅在于立即数部分被源寄存器所替换：

有关内存如何访写（load and store）、分支跳转（有条件/条件）等强烈建议观看原文：计算机基础实战5。

汇编指令一览

指令格式的讲解比较抽象，因为已经涉及计算机底层表达了，为了方便大家的理解，找到了一篇RISC-V指令汇编指令的总结，相信通过这部分内容会对前文的内容有更深刻的理解，同时，为接下来的手写CPU提供助力！

原文链接：RISCV常见指令

算术运算

• add rd,rs1,rs2
  ：将寄存器rs1与rs2的值相加并写入寄存器rd。
• sub rd,rs1,rs2
  ：将寄存器rs1与rs2的值相减并写入寄存器rd。
• addi rd,rs1,imm
  ：将寄存器rs1的值与立即数imm相加并存入寄存器rd。
• mul rd,rs1,rs2
  ：将寄存器rs1与rs2的值相乘并写入寄存器rd。
• div rd,rs1,rs2
  ：将寄存器rs1除以寄存器rs2的值，向零舍入并写入寄存器rd。
• rem rd,rs1,rs2
  ：将寄存器rs1模寄存器rs2的值并写入寄存器rd。

逻辑运算

• and rd,rs1,rs2
  ：将寄存器rs1与rs2的值按位与并写入寄存器rd。
• andi rd,rs1,imm
  ：将寄存器rs1的值与立即数imm的值按位与并写入寄存器rd。
• or rd,rs1,rs2
  ：将寄存器rs1与rs2的值按位或并写入寄存器rd。
• ori rd,rs1,imm
  ：将寄存器rs1的值与立即数imm的值按位或并写入寄存器rd。
• xor rd,rs1,rs2
  ：将寄存器rs1与rs2的值按位异或并写入寄存器rd。
• xori rd,rs1,imm
  ：将寄存器rs1的值与立即数imm的值按位异或并写入寄存器rd。

移位运算

• sll rd,rs1,rs2
  ：将寄存器rs1的值左移寄存器rs2的值这么多位，并写入寄存器rd。
• slli rd,rs1,imm
  ：将寄存器rs1的值左移立即数imm的值这么多位，并写入寄存器rd。
• srl rd,rs1,rs2
  ：将寄存器rs1的值逻辑右移寄存器rs2的值这么多位，并写入寄存器rd。
• srli rd,rs1,imm
  ：将寄存器rs1的值逻辑右移立即数imm的值这么多位，并写入寄存器rd。
• sra rd,rs1,rs2
  ：将寄存器rs1的值算数右移寄存器rs2的值这么多位，并写入寄存器rd。
• srai rd,rs1,imm
  ：将寄存器rs1的值算数右移立即数imm的值这么多位，并写入寄存器rd。

内存访问与写入

• lb rd,offset(rs1)
  ：从地址为寄存器rs1的值加offset的主存中读一个字节，符号扩展后存入rd
• lh rd,offset(rs1)
  ：从地址为寄存器rs1的值加offset的主存中读半个字，符号扩展后存入rd
• lw rd,offset(rs1)
  ：从地址为寄存器rs1的值加offset的主存中读一个字，符号扩展后存入rd
• lbu rd,offset(rs1)
  ：从地址为寄存器rs1的值加offset的主存中读一个无符号的字节，零扩展后存入rd
• lhu rd,offset(rs1)
  ：从地址为寄存器rs1的值加offset的主存中读半个无符号的字，零扩展后存入rd
• lwu rd,offset(rs1)
  ：从地址为寄存器rs1的值加offset的主存中读一个无符号的字，零扩展后存入rd
• sb rs1,offset(rs2)
  ：把寄存器rs1的值存入地址为寄存器rs2的值加offset的主存中，保留最右端的8位
• sh rs1,offset(rs2)
  ：把寄存器rs1的值存入地址为寄存器rs2的值加offset的主存中，保留最右端的16位
• sw rs1,offset(rs2)
  ：把寄存器rs1的值存入地址为寄存器rs2的值加offset的主存中，保留最右端的32位

举个例子，有如下C语言片段：

long long A[100];
A[10] = A[3] + a;

假设数组A首地址在寄存器x3内，a在x2内，则这段代码的汇编表达为：

ld x10,24(x3)       # long long占64bits=8bytes，A[3]的地址为A[0]+3*8
add x10,x2,x10
sd x10,80(x3)

比较指令

有符号数：

• slt rd,rs1,rs2
  ：若rs1的值小于rs1的值，rd置为1，否则置为0
• slti rd,rs1,imm
  ：若rs1的值小于立即数imm，rd置为1，否则置为0

无符号数：

• sltu rd,rs1,rs2
  ：若rs1的值小于rs1的值，rd置为1，否则置为0
• sltiu rd,rs1,imm
  ：若rs1的值小于立即数imm，rd置为1，否则置为0

条件跳转

• beq rs1,rs2,lable
  ：若rs1的值等于rs2的值，程序跳转到lable处继续执行
• bne rs1,rs2,lable
  ：若rs1的值不等于rs2的值，程序跳转到lable处继续执行
• blt rs1,rs2,lable
  ：若rs1的值小于rs2的值，程序跳转到lable处继续执行
• bge rs1,rs2,lable
  ：若rs1的值大于等于rs2的值，程序跳转到lable处继续执行

注意，在汇编中没有括号来控制代码作用区域，只能通过label标签来表示要跳转的指令行，类似于C语言中的goto。

无条件跳转

• j label
  ：程序直接跳转到lable处继续执行
• jal rd,label
  ：用于调用函数，把下一条指令的地址保存在rd中（通常用x1），然后跳转到label处继续执行
• jalr rd,offset(rs)
  ：可用于函数返回，把下一条指令的地址存到rd中，**然后跳转到rs+offset地址处的指令继续执行。**若rd=x0就是单纯的跳转（x0不能被修改）

其他

思考题

1. 想想看，为什么要通过调整立即数的某些位，从 U-TYPE 指令得到 J-TYPE 指令格式呢？这样调整以后有什么好处？

试图回答：直接在寄存器内部调整指令，减少了指令读取事件，大大加快了指令执行的整体效率。

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