一起学RISC-V汇编第4讲之指令格式
一起学RISC-V汇编第4讲之指令格式
RISC-V指令集的一个特点就是指令是定长的，对于RV32I ISA，一共有47条指令，有6种指令指令格式，分别为R/I/S/B/U/J类型，其中：
- R型用于寄存器-寄存器间的操作（10条）
- I型用于短立即数和访存（Load）操作（25条）
- S型用于访存Store操作（3条）
- B型用于条件跳转（6条）
- U型用于长立即数（2条）
- J型用于无条件跳转（1条）
格式如下图所示：
从图中可以看出RV32I指令集：
- 指令的长度固定为32位，以4字节边界对齐；
- 源寄存器rs1、rs2，以及目标寄存器rd的位置保持不变；
- RISC-V的指令编码风格是操作码（opcode）放在低位，操作码占7bit；
- 立即数的符号位放置在最高位（31位），方便进行符号扩展；
- RISC-V 指令格式为三操作数或者两操作数，操作数只能为立即数或寄存器；
- B类型分支跳转指令是在S类型基础上将立即数进行了旋转，J类型跳转指令是在U类型基础上将立即数进行了旋转，所以也可以认为RISC-V仅有4种指令类型；
- B型分支指令和J型跳转指令的地址需要左移1位（相当于乘以2），以获得更大的跳转范围。意味着：B型分支指令和J型跳转指令实际上只能跳转到偶数地址。
下面分别进行讲解：
1 RISC-V指令格式
1.1 R-type
R-type是最常用的指令类型，表示寄存器-寄存器操作，指令的操作由7bit的opcode、3位的func3、7位的func7 共同决定的（func3字段正好3位，func7字段正好7位）；R-type包含有三个寄存器（两个源寄存器rs1与rs2，一个目的寄存器rd），寄存器位宽为5bit，可以寻址32个寄存器（指令集定义的通用寄存器个数2^5），由这些小细节可见，RISC-V指令集经过了巧妙的设计。
RV32I一共有10条R-type指令：
其详细编码如下：
以上指令的使用形式为：
# 加（算术指令）
ADD rd, rs1, rs2
# 减（算术指令）
SUB rd, rs1, rs2
# 逻辑左移（移位指令）
SLL rd, rs1, rs2
# 小于则置位（比较-置位）
SLT rd, rs1, rs2
# 无符号小于则置位（比较-置位）
SLTU rd, rs1, rs2
# 异或（逻辑指令）
XOR rd, rs1, rs2
# 逻辑右移（移位指令）
SRL rd, rs1, rs2
# 算术右移 （移位指令）
SRA rd, rs1, rs2
# 或（逻辑指令）
OR rd, rs1, rs2
# 与（逻辑指令）
AND rd, rs1, rs2
1.2 I-type
I-type指令有两个寄存器和一个立即数，相当于将R-type指令格式中的一个寄存器改为立即数，立即数一共12位，也即支持有符号数[-2028, 2017]，如果是无符号数范围为[0-4096]；指令的操作由7bit的opcode、3位的func3来决定。
RV32I一共有25条I-type指令，这里列出15条，分为9条短立即数操作，5条load取数操作，以及1条跳转操作。其它10条I-type指令为CSR读写指令以及环境指令等，后续会讲到。
可见：
- 短立即数操作为1.1中 R-type中的指令中的rs2寄存器换成立即数，表示寄存器与立即数进行计算，结果存到目的寄存器里；
- load取数操作中，rs1为寄存器，立即数为偏移地址，表示寄存器相对寻址。
9条短立即数操作：
以上指令的使用形式为：
# 加立即数（算术指令）
ADDI rd, rs1, imm
# 小于立即数则置位（比较-置位）
SLTI rd, rs1, imm
# 无符号小于立即数则置位（比较-置位）
SLTIU rd, rs1, imm
# 异或立即数（逻辑指令）
XORI rd, rs1, imm
# 或立即数（逻辑指令）
ORI rd, rs1, imm
# 与立即数（逻辑指令）
ANDI rd, rs1, imm
# 逻辑左移立即数（移位指令）
SLLI rd, rs1, shamt
# 逻辑右移立即数（移位指令）
SRLI rd, rs1, shamt
# 算术右移立即数 （移位指令）
SRAI rd, rs1, shamt
注意：riscv中没有SUBI指令，SUBI可以由ADDI来实现（减一个数等于加一个负数）。
5条load取数操作：
以上指令的使用形式为：
# 取字节（取指令）
LB rd, imm(rs1)
# 取半字（取指令）
LH rd, imm(rs1)
# 取字（取数令）
LW rd, imm(rs1)
# 取无符号字节（取指令）
LBU rd, imm(rs1)
# 取无符号半字（取指令）
LHU rd, imm(rs1)
RV32I为什么没有LWU指令？实际上LWU属于RV64I的指令，LB，LH 都是load数到32位寄存器里，由于寄存器比要取的数宽，所以存在符号扩展，在RV64I架构，寄存器为64bit的，LW才存在符号扩展，所以LWU属于RV64I的指令。
1条跳转操作：
这条指令的使用形式为：
# 寄存器跳转并链接（跳转指令）
JALR rd, imm(rs1)
1.3 S-type
S-type指令操作由7bit的opcode、3位的func3来决定，S-type指令没有目的寄存器，一般表示访存的store操作，如sw，sd等。指令中包含两个源寄存器（rs1，rs2）与一个12位立即数（imm[31:25]与imm[11:7]，这么样拆分目的在于尽量固定rs1，rs2 位域的位置，方便译码）
RV32I一共有3条S-type指令，实现的同样是寄存器相对寻址：
以上指令的使用形式为：
# 存字节（存指令）
SB rs2, imm(rs1)
# 存半数（存指令）
SH rs2, imm(rs1)
# 存字（存指令）
SW rs2, imm(rs1)
1.4 B-type
B-type指令操作由7bit的opcode、3位的func3来决定；指令中包含两个源寄存器（rs1，rs2）与一个12位立即数，B-typed 一般表示条件跳转操作指令（分支指令），如相等(beq)、不相等(bne)、大于等于(bge)以及小于(blt)等跳转指令。
RV32I一共有6条B-type指令：
以上指令的使用形式为：
# 相等时分支（分支指令）
BEQ rs1, rs2, imm
# 不等时分支（分支指令）
BNE rs1, rs2, imm
# 小于时分支（分支指令）
BLT rs1, rs2, imm
# 大于等于时分支（分支指令）
BGE rs1, rs2, imm
# 无符号小于时分支（分支指令）
BLTU rs1, rs2, imm
# 无符号大于等于时分支（分支指令）
BGET rs1, rs2, imm
为什么没有小于等于、大于这些分支指令？
实际上if (a <= b)，可以转换为 if (b >= a) , 所以只需交换操作数即可，无需专门的指令，riscv中小于等于、大于等分支指令都是伪指令，后续伪指令章会讲到。
1.5 U-type
U-type指令操作仅由7位opcode决定；指令包括一个目的寄存器rd和20位的立即数，U-type一般表示长立即数操作，例如 lui 指令，将立即数左移 12 位，并将低 12 位置零，结果写回目的寄存器中。
RV32I一共有2条U-type指令：
以上指令的使用形式为：
# 装入高位立即数（算术指令）
LUI rd, imm
# PC加高位立即数（算术指令）
AUIPC rd, imm
看这个指令的描述，可以与I-type的短立即数（12bit）配合，得到一个完整的32bit立即数。
1.6 J-type
J-type指令操作仅由7位opcode决定，与U-type一样只有一个目的寄存器rd和20位的立即数，但是立即数的位域与U-type的组成不同，J-type一般用于无条件跳转，如jal指令，RV32I一共有1条J-type指令。
以上指令的使用形式为：
# 跳转（跳转指令）
JAL rd, imm
2 RISC-V是如何译码的？
通过opcode来得到指令类型，RISC-V 规范中给出了如下图所示的 opcode 表格（适用于 RV32G 和 RV64G）：
opcode一共7位，低两bit固定位1（inst[1:0]=0b11），根据inst[6:5] 与 nst[4: 2]可查表。根据指令类型，可以判断得到是属于R/I/S/B/U/J中的某一类型，然后按照其格式进行拆分译码，例如：如果是R-type，进一步拆分func3和func7字段。
如表中对应关系为：
| 指令类型 | 对应opcode map中的类型 |
|---|---|
| R类型 | OP |
| I类型 | OP-IMM、LOAD、JALR |
| S类型 | STORE |
| B类型 | BRANCH |
| U类型 | AUIPC、LUI |
| J类型 | JAL |
详情可以参考芯来开源的蜂鸟解码实现：
https://github.com/riscv-mcu/e203_hbirdv2/blob/master/rtl/e203/core/e203_exu_decode.v
参考：
