RISC-V – instruction set

1. 什么是 RISC-V

定义： RISC-V（发音为“risk-five”）是一个基于精简指令集（RISC）原则的开源指令集架构（ISA），简易解释为开源软件运动相对应的一种“开源硬件”。该项目2010年始于加州大学柏克莱分校，但许多贡献者是该大学以外的志愿者和行业工作者。

作为除了 x86 和 Arm 以外的第三大指令集，RISC-V 正在逐渐受到巨头们的青睐，并纷纷布局 RISC-V 生态，中科院计算所领导的团队也在大力开展 RISC-V 相关的工作。

RISC-V 有什么有点呢？一个字：简单！

RISC-V 指令使用模块化的设计，没有历史包袱，优雅简洁，十分便于学习，其 包括几个可以互相替换的基本指令集，以及额外可以选择的扩展指令集，大致包含了：

1. 基础整数指令集
2. 乘除指令
3. 浮点数指令
4. 原子指令
5. 压缩指令
6. 向量指令
7. 特权级指令

2. RISC-V 设计

2.1 寄存器集

RISC-V 包含了 32 个整数寄存器，以及一个用户可见程序计数器 PC。实现浮点数规范之后，还有 32 个浮点数寄存器（对于嵌入式系统，整数寄存器的数量可以为 16）。

和 MIPS 这种 RISC 架构类似，RISC-V 的第一个寄存器为 “零寄存器“（永远为 0，这可以带来很多好处，比如，mov X, Y 可以修改为 add X, Y, 0 ）RISC-V 还提供了 “控制寄存器” 和 “状态寄存器” ，但是 User 模式无法访问。

RISC-V 没有指令可以同时操作多个寄存器，和 X86 这种功能强大但复杂的架构完全不同。

基本指令格式

基本指令包含下面几个部分：R I S U

1. imm：立即数
2. rs1：源寄存器
3. rs2：源寄存器2
4. rd：目标寄存器
5. opcode：操作码

2.2 立即数

RISC-V 的立即数需要根据不同指令拼装（这一点对于手写 decoder 来说挺麻烦的）

整数计算

2.3 函数调用，分支，跳转

RISC-V 的函数通过 JAL（jump and link）将返回地址放在一个寄存器中，这样就可以省下一次堆栈的访问（push rip + jmp xxx）

2.4 原子指令

RISC-V 支持多个 CPU 与 thread。其允许 CPU 执行时重排序：读取和写入顺序可以重排。但是有些读取可以被设置成“获取”运算，会在其后的访问之前被执行，有些写入可以被当作“释放”运算。基本指令中通过 fence 来保证存储器的访问顺序，

系统指令

RISC-V 规定了 8 条系统指令，简单的实现中，可以不定义这些软件，但是，如果是写一个 RISC-V 的系统模拟器，是一定要完成的。

scall 用于系统调用，sbreak 用于调试器调试，剩下的指令用于操作 csr（control and status registers）

指令	含义
scall	system call
sbreak	Breakpoint
csrrw rd, csr, rs1	read csr into rd, store rs1 into csr
csrrc rd, csr, rs1	read csr into rd, set bit of csr
csrrs rd, csr, rs1	read csr into rd, clear bit of csr
csrrwi rd, csr, imm[4:0]	read csr into rd, store immediate into csr
csrrci rd, csr, imm[4:0]	read csr into rd, set bit of csr with imm
csrrsi rd, csr, imm[4:0]	read csr into rd, clear bit of csr with imm

在大多数的系统当中，csr 只有在特权模式下才能访问，但是也存在一些只读寄存器，可以在用户模式下直接访问，比如：

1. cycle：从任意参照的时间流逝的时钟周期数
2. time：流逝的系统时间
3. instret：实时时钟
4. cycleh
5. timeh
6. instreth

3. 参考文件

risc-v manual

risc-v compression set manual