RISC－V指令集是如何设计的

我们来回顾一下上期内容：我们定义了两种指令，第一种是立即数指令，其指令规则是：xxxxxxxxxxxx（立即数）xxxxx（源寄存器序号）xxx（运算规则）xxxxx（目标寄存器序号）1（立即数标志位）。第二种指令是寄存器指令，其指令规则是：0000000xxxxx（源寄存器序号1）xxxxx（源寄存器序号2）xxx（运算规则）xxxxx（目标寄存器序号）0（立即数标志位）。不过呢，这些指令只是我们的一厢情愿，现实中实际的指令集是怎么实现的？

RISC－V指令格式

我们这次来讲讲RISC－V指令集，看看他们的指令集是如何设计的。

RISC－V指令集项目在2010年始于伯克利大学，是一个新颖先进的指令集。我们曾在前几章中多次提到过这个指令集，不过也就是顺嘴一题，这次我们具体看看究竟什么是RISC－V指令集。

首先RISC－V指令集由几部分组成。最主要的部分是最基础32位的RV32I，这部分是最基础的指令集，是兼容RISC－V程序的必要部分。其次是16位的RVC，作为压缩指令，可以极大节省程序占用内存的空间。再者是32位的RV32M，用以支持乘除法指令。此外还有RV32F、RV32A等等。为什么要分成这么多部分呢？因为我们设计的CPU大多不会对这些指令全部兼容，而是选择有目的的部分兼容。比如，设计一个低功耗的单片机CPU，我们就用不到乘除法等指令，我们可以选择只兼容RV32I，既简单又高效。当然这些指令还有64位版本，用以支持更高位数的计算。

RISC－V指令集规定了CPU中有32个寄存器。有疑问吗？你可能觉得指令集不就是指令的集合嘛，为什么还规定我们的硬件设计？不要忘了，32个寄存器意味着寄存器序号一共是5位，而这是由指令集决定的。顺便一说X86指令集中仅规定有8个寄存器。其中，00000即第一个寄存器本质并不是寄存器而是硬件连线0，始终代表数字0。这个设计是有意义的，可以借此写出许多骚操作的指令。

我们先讲最基础的RV32I指令集。作为最基础的指令集，其包括几种指令类型。分别是数字运算指令（包括寄存器指令和立即数指令）、pc跳转指令、分支指令和内存读写指令。我们上次定义的指令集属于数字运算指令，二者类型相同但内容并不完全一致。现在我来说说RV32I中的数字运算指令，你们可以和上次定义的指令集比比有何不同？这些差别能带来好处还是坏处？

add指令释义

首先是运算指令。RV32I一共定义了10种运算，分别是加法、减法、有符号比较、无符号比较、与、或、非、异或、逻辑左移、逻辑右移和算数右移。而这些运算分为寄存器指令和立即数指令。立即数指令中是无需减法指令的，因为我们曾经说过，减法可以通过对其中一个加数取反加一再与另一个加数求和实现，所以立即数可以直接在立即数上做文章，不需要减法指令。那我们是否需要十种运算电路来分别对应这十种计算指令呢？不用，我们只需要八种。少的那两种分别是减法和移位。减法完全可以复用加法电路，左移完全可以复用右移电路。什么是复用？为什么要复用？复用就是重复利用原有的电路，减少设置新的电路。这样可以节省芯片面积，节约生产成本，降低发热功耗。那么如何复用呢？不同的电路有不同的复用方法，以减法复用加法为例，使用加法电路前，将其中一个数取反加一便可成为减法电路。

综上所述，我们仍需要3位数字表示这八种运算逻辑，它们分别是000到111，这三位数字被称为funct3（3位功能数字）。不过加法和移位运算中需要额外的一位数字用以区分加减和左右。这一位数字在哪呢？我们先讲立即数移位指令，立即数一般是12位数字，但在移位运算中用不到这么多位数，一般只有5位。那么在这五位数之前会有7个空位，第二个空位便是这位数字所在。立即数加法指令不需要这一位数字，原因刚才有指出。寄存器指令中，同样会存在7位空位，第二位空位是这位数字所在。

然后我们讲一下另一类指令，内存读写指令。不过我们在此之前需要指出一件事，我们现在有两种指令类型了，分别是运算指令和内存读写指令，我们怎么区分呢？RV32I设置了另一种功能数字，funct7（7位功能数字），为什么会有七位呢？因为指令类型很多，funct7不单起到区分RV32I指令类型的作用，同时还区分所有RISC－V的所有指令，甚至还包括16位和64位指令，所以funct7会有7位数字。回到内存读写指令上来，读和写可以被看成两种类型，需要一位数字区分，这位数字在funct7中。读和写都需要地址，否则不知道读哪或是写哪。

同时读指令还需要知道取到的内容放到哪，而写指令需要知道写什么内容。先说地址，地址是由某一寄存器中的数字加上七位立即数得到，这样正好组成之前说的12位数字。读指令放到哪呢？放到目标寄存器嘛。写指令的内容从哪来呢？来源寄存器嘛。这不就和之前的指令样式对应起来了吗？所以这两种指令样式区别其实不大。只不过执行内容有所区别。

我们现在刚刚简单讲完两种指令类型，是不是很多人就已经迷失自我了？难道所有这些指令规则只能通过繁琐的文字来讲述吗？这里就要提到指令集图卡了。

RV32I指令集图卡

上图就是实拍RV32I指令集图卡，每一行都代表着一条指令，你所要做的便是填入对应的寄存器序号和立即数即可。其中rs1和rs2分别是来源寄存器1和2，rd是目标寄存器，imm是立即数。有的指令可能只需要一个来源寄存器甚至一个都不要，有的指令可能不需要目标寄存器，有的指令可能需要12位立即数，有的则可能要20位立即数。这些在指令集图卡中都体现出来了。看到右边英文中，我手写的几道黑横线了吗？夹在里面的指令是我们在前文中所讲的指令类型，可以再根据这张图对前文进行理解，会容易得多哦。

举个例子，比如加法指令，看到最右侧有两个add，分别是I addi和R add，区别在于一个是立即数加法，一个是寄存器加法。对应到靠右边的方框中是不是可以看到7位数字，这就是funct7，中间有3位数字000，这就是funct3。寄存器指令中的最左侧7位数字是空着的为0000000，而立即数指令中最左侧则是12位的立即数。再看R add下面的R sub，与R add唯一的区别是不是左边第二位数字变成了1？这就是之前所说的复用所需的那一位数字。现在是不是能完全和之前所说的联系起来了？也没那么难对吧？

剩下的下次再来吧？还是你们剩下的都能自己看懂了？可以找公众号回复一下，我想看看。


审核编辑：刘清