risc-V学习日记（4）：RV32I指令集

这一期我们重新回到RISC-V的内容说明。

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。

1. Integer Computational Instructions【整数计算指令，下称使用中文】
2. Loads and Store Instructions【访存指令】
3. Control Transfer Instructions【控制转移指令】
4. Memory Ordering Instructions【内存顺序指令】
5. 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 << 12addi 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, 1li x7, 2jal x5, sum		# call sum, return address is saved in x5stop:j stop			# Infinite loop to stop executionsum:add x6, x6, x7		# x6 = x6 + x7jalr 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, 0li x6, 5
loop:addi x5, x5, 1bne x5, x6, loopstop: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 = 2addi x5, x6, 1		# x5 = x6 + 1stop: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 = 1slli x5, x6, 3		# x5 = x6 << 3stop: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 = 1li x7, 2		# x7 = 2add x5, x6, x7		# x5 = x6 + x7stop: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。

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下期见咯~