这一期我们重新回到RISC-V的内容说明。
文章目录
基本指令集
指令格式
在基本ISA中，有四种核心指令格式（R/I/S/U），如图 2.2所示。所有的指令都是固定32位长度的，并且在存储器中必须在4字节边界对齐。当发生一个条件分支或者无条件转移而且目标地址不是对齐到4字节时， 将会产生一个指令地址不对齐的异常。 如果条件分支没有发生（not taken），那么将不会产生一个取指不对齐异常。
基于立即数处理，还有额外两种指令格式变种（SB/UJ）
指令集功能分类
RV32I指令集按照指令功能可以分为5类。
- Integer Computational Instructions【整数计算指令，下称使用中文】
- Loads and Store Instructions【访存指令】
- Control Transfer Instructions【控制转移指令】
- Memory Ordering Instructions【内存顺序指令】
- Environment Call and Breakpoints【环境调用和断点】
这5类指令包括了一种或多种指令格式，下面分类给出各部分指令的简要功能介绍。
指令集总览
RV32I 基本指令集有47条指令，如下图：
是不是很多，这里给大伙提供一个网站，可以在线直接查看 Risc-V的指令功能 —— 跳转链接
指令详细说明
1. 高位立即数与地址构造
| 指令 | 格式 | 功能描述 | 示例 |
|---|---|---|---|
| LUI | lui rd, imm | 将 20 位立即数 imm 左移 12 位，写入 rd 的高位，低位补 0。 | lui x5, 0x12345 → x5 = 0x12345000 |
| AUIPC | auipc rd, imm | 将 PC 当前值 + (imm << 12)，结果写入 rd，用于构造全局地址或远跳转。 | auipc x6 |
LUI 代码演示
.text # Define beginning of text section
.global _start # Define entry _start
_start:
lui x5, 0x12345 # int x5 = 0x12345 << 12
addi x5, x5, 0x678 # x5 = x5 + 0x678
stop:
j stop # Infinite loop to stop execution
.end # End of file
2. 控制转移指令
无条件跳转
| 指令 | 格式 | 功能描述 | 示例 |
|---|---|---|---|
| JAL | jal rd, offset | 跳转到 PC + offset，并将返回地址 PC+4 存入 rd（通常 rd=x1）。 | jal x1, func → 调用函数 func |
| JALR | jalr rd, rs1, imm | 跳转到 rs1 + imm（地址最低位强制为 0），返回地址 PC+4 存入 rd。 | jalr x0, x1, 0 → 跳转到 x1 并返回 |
JALR代码演示
.text # Define beginning of text section
.global _start # Define entry _start
_start:
li x6, 1
li x7, 2
jal x5, sum # call sum, return address is saved in x5
stop:
j stop # Infinite loop to stop execution
sum:
add x6, x6, x7 # x6 = x6 + x7
jalr x0, 0(x5) # return
.end # End of file
条件分支
| 指令 | 格式 | 功能描述 | 示例 |
|---|---|---|---|
| BEQ | beq rs1, rs2, offset | 若 rs1 == rs2，跳转到 PC + offset。 | beq x5, x6, loop → 相等则循环 |
| BNE | bne rs1, rs2, offset | 若 rs1 != rs2，跳转。 | bne x5, x0, exit → 非零则退出 |
| BLT | blt rs1, rs2, offset | 若 rs1 < rs2（有符号比较），跳转。 | blt x5, x6, less |
| BGE | bge rs1, rs2, offset | 若 rs1 >= rs2（有符号比较），跳转。 | bge x5, x6, greater_eq |
| BLTU | bltu rs1, rs2, offset | 若 rs1 < rs2（无符号比较），跳转。 | bltu x5, x6, uless |
| BGEU | bgeu rs1, rs2, offset | 若 rs1 >= rs2（无符号比较），跳转。 | bgeu x5, x6, ugreater_eq |
BNE代码演示
.text # Define beginning of text section
.global _start # Define entry _start
_start:
# i = 0
# while (i < 5) i++;
li x5, 0
li x6, 5
loop:
addi x5, x5, 1
bne x5, x6, loop
stop:
j stop # Infinite loop to stop execution
.end # End of file
在这里插入图片描述
3. 内存访问指令
加载指令
| 指令 | 格式 | 功能描述 | 示例 |
|---|---|---|---|
| LB | lb rd, offset(rs1) | 从 rs1 + offset 加载字节（符号扩展后写入 rd）。 | lb x5, 4(x6) → 加载字节到 x5 |
| LH | lh rd, offset(rs1) | 加载半字（符号扩展）。 | lh x5, -8(x6) |
| LW | lw rd, offset(rs1) | 加载字（32 位数据）。 | lw x5, 0(x6) |
| LBU | lbu rd, offset(rs1) | 加载无符号字节（高位补 0）。 | lbu x5, 3(x6) |
| LHU | lhu rd, offset(rs1) | 加载无符号半字（高位补 0）。 | lhu x5, 2(x6) |
存储指令
| 指令 | 格式 | 功能描述 | 示例 |
|---|---|---|---|
| SB | sb rs2, offset(rs1) | 将 rs2 的低 8 位存储到 rs1 + offset。 | sb x5, 10(x6) → 存储字节 |
| SH | sh rs2, offset(rs1) | 存储低 16 位。 | sh x5, -4(x6) |
| SW | sw rs2, offset(rs1) | 存储 32 位。 | sw x5, 0(x6) |
4. 整数运算指令
立即数运算
| 指令 | 格式 | 功能描述 | 示例 |
|---|---|---|---|
| ADDI | addi rd, rs1, imm | rs1 + 符号扩展的12位立即数，结果写入 rd。 | addi x5, x6, -5 → x5 = x6 -5 |
| SLTI | slti rd, rs1, imm | 若 rs1 < imm（有符号比较），则 rd=1，否则 rd=0。 | slti x5, x6, 10 → 检查是否小于 10 |
| SLTIU | sltiu rd, rs1, imm | 无符号比较 rs1 < imm，结果写入 rd。 | sltiu x5, x6, 0xFFF |
| XORI | xori rd, rs1, imm | rs1 ^ 符号扩展的立即数。 | xori x5, x6, 0xFFFF → 按位取反 |
| ORI | ori rd, rs1, imm | rs1 | 符号扩展的立即数。 |
| ANDI | andi rd, rs1, imm | rs1 & 符号扩展的立即数。 | andi x5, x6, 0xFF → 取低8位 |
ADDI代码演示
.text # Define beginning of text section
.global _start # Define entry _start
_start:
li x6, 2 # x6 = 2
addi x5, x6, 1 # x5 = x6 + 1
stop:
j stop # Infinite loop to stop execution
.end # End of file
移位运算
| 指令 | 格式 | 功能描述 | 示例 |
|---|---|---|---|
| SLLI | slli rd, rs1, shamt | 逻辑左移 rs1，移位数为 shamt（0-31），结果写入 rd。 | slli x5, x6, 2 → x5 = x6 << 2 |
| SRLI | srli rd, rs1, shamt | 逻辑右移（高位补 0）。 | srli x5, x6, 3 |
| SRAI | srai rd, rs1, shamt | 算术右移（高位补符号位）。 | srai x5, x6, 4 |
SLLI代码演示
.text # Define beginning of text section
.global _start # Define entry _start
_start:
li x6, 1 # x6 = 1
slli x5, x6, 3 # x5 = x6 << 3
stop:
j stop # Infinite loop to stop execution
.end # End of file
寄存器-寄存器运算
| 指令 | 格式 | 功能描述 | 示例 |
|---|---|---|---|
| ADD | add rd, rs1, rs2 | rs1 + rs2，结果写入 rd。 | add x5, x6, x7 |
| SUB | sub rd, rs1, rs2 | rs1 - rs2。 | sub x5, x6, x7 |
| SLL | sll rd, rs1, rs2 | 逻辑左移 rs1，移位数为 rs2 的低 5 位。 | sll x5, x6, x7 |
| SLT | slt rd, rs1, rs2 | 若 rs1 < rs2 | （有符号比较），则 rd=1，否则 rd=0。 |
| SLTU | sltu rd, rs1, rs2 | 无符号比较 rs1 < rs2，结果写入 rd。 | sltu x5, x6, x7 |
| XOR | xor rd, rs1, rs2 | 按位异或。 | xor x5, x6, x7 → x5 = x6 ^ x7 |
| SRL | srl rd, rs1, rs2 | 逻辑右移（高位补 0）。 | srl x5, x6, x7 |
| SRA | sra rd, rs1, rs2 | 算术右移（高位补符号位）。 | sra x5, x6, x7 |
| OR | or rd, rs1, rs2 | 按位或。 | or x5, x6, x7 → x5 = x6 |
| AND | and rd, rs1, rs2 | 按位与。 | and x5, x6, x7 → x5 = x6 & x7 |
ADD代码演示
.text # Define beginning of text section
.global _start # Define entry _start
_start:
li x6, 1 # x6 = 1
li x7, 2 # x7 = 2
add x5, x6, x7 # x5 = x6 + x7
stop:
j stop # Infinite loop to stop execution
.end # End of file
5. 系统与同步指令
| 指令 | 格式 | 功能描述 | 示例 |
|---|---|---|---|
| FENCE | fence 内存屏障，确保其前后的内存访问顺序。 | fence → 保证访存顺序 | |
| ECALL | ecall 触发环境调用（如系统调用或切换到更高权限模式）。 | ecall → 执行系统调用 | |
| EBREAK | ebreak 触发调试断点，通常用于调试器介入。 | ebreak → 进入调试模式 |
结语
这一期讲了RV32I的所有指令集，下一期我们来看看指令在CPU中是经过了那些过程才最终实现出来的。
感谢大伙观看，别忘了三连支持一下
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下期见咯~
