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RISC-V 机器语言

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1. 冯诺依曼架构

冯诺依曼架构：程序的指令和数据一起存储在内存中，可以被读取、写入．这使得计算机可以快速重新编程而不需要进行硬件接线．

  • 由于均存储在内存中，因此所有东西（指令与数据）都是可寻址的；专门有一个寄存器指向程序执行的指令（Program Counter）．
  • 程序以二进制形式发布，使得其有二进制兼容性：旧程序（二进制文件）可以直接在支持该指令集的新机器上运行．

2. 指令编码格式

RISC-V的所有指令都和数据一样被设计为固定的32位．为了实现不同功能，将这32位划分成了不同的字段，并定义了六种基本格式：R、I、S、B、U、J．

由于共有32个寄存器，因此表示寄存器至少需要5bit宽．

2.1 R格式

R格式用于算数与逻辑操作的指令．

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字段划分：funct7 (7位)、rs2 (5位)、rs1 (5位)、funct3 (3位)、rd (5位)、opcode (7位)．

  • rs1、rs2、rd 均为5位，分别表示三个操作寄存器．
  • opcode 代表当前指令是什么格式；对于R格式而言，均为0110011．
  • funct7 与 funct3 和 opcode 共同决定了要执行的操作．操作对应关系如下图所示：

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比之前多了两种操作：slt 表示set less than，指令为 slt rd, rs1, rs2，表示如果 rs1 < rs2 就将 rd 设为1．sltu 为无符号比较版本．

2.2 I格式

I格式用于与立即数Immediate有关的指令．

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  • 由于 addi 指令中 rs2 没有被用到，我们将其与 funct7 合并为12位用来表示立即数．其覆盖范围为 \([-2048, 2047]\)​​​（由于其要与 rs1 中32位的数进行操作，操作前需要符号扩展到32位）．
  • I格式的 opcode 为0010011．

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由于一个寄存器只有32位，移动超过31位的值没有意义，因此移位操作的字段划分仍然类似R指令，其中 rs2 为移位数，第30位用于区分逻辑/算数右移．

与R指令比较，同样的指令对应的 funct3 代码其实也是相同的．

由于load word指令的格式与立即数计算几乎一样（rs1 表示 base、rd 表示 dest、立即数表示偏移量），因此load指令也是一种特殊的I格式，其 opcode 为000011．

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lh 为load halfword，即一次读取半字/16字节．

lb 和 lh 都是符号位拓展，将终点寄存器的其他位用二进制数的最高位填充；lbu 和 lhu 对应无符号形式，其他位均为0填充．

2.3 S格式

S格式用于存储指令．虽然它的操作数也是两个寄存器，但其中一个寄存器是存储源，另一寄存器用于寻址，这两个都不属于 rd 类寄存器，因此其与读取指令不同．rs1 表示 base，rs2 表示 src；而用于表示偏移量的立即数被截成两段（funct7 的7位与原 rd 的5位），仍然看作整体12位表示立即数．

S格式的 opcode 为0100011．

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