RV32I指令集

RV32I是最基本的32位Base指令集，它支持32位寻址空间，支持字节地址访问，仅支持小端格式（little-endian,高地址高位，低地址地位)，寄存器也是32位整数寄存器。RV32I指令集的目的是尽量简化硬件的实施设计，所以它只有47条指令。

在RV32I指令集架构中，包括32个通用目的寄存器，其中x0被预留为常数0，其它31个寄存器(x1-x31)是普通的通用整数寄存器。在Risc-V汇编语言中，每个通用寄存器都有一个对应的ABI名字，也就是说在汇编语言中，x1等价于ra，它们都会编译成相同的机器码。

在Risc-V架构中，要得到当前指令pc（指令在存储器中的位置，instruction program counter)，可以通过AUIPC指令，把它读入到一个通用寄存器中。

寄存器	ABI名字(别名)	注释	Saver
x0	zero	Hard-wired zero，常数0
x1	ra	Return address	caller，调用函数的指令pc
x2	sp	Stack pointer	callee，被调用的函数指令pc
x3	gp	Global pointer
x4	tp	Thread pointer
x5	t0	Temporary/alternate link register	caller
x6	t1	Temporaries	caller
x7	t2	Temporaries	caller
x8	s0/fp	Saved register/frame pointer	caller
x9	s1	Saved register	caller
x10	a0	Function arguments/return values	caller
x11	a1	Function arguments/return values	caller
x12	a2	Function arguments	caller
x13	a3	Function arguments	caller
x14	a4	Function arguments	caller
x15	a5	Function arguments	caller
x16	a6	Function arguments	caller
x17	a7	Function arguments	caller
x18	s2	Saved registers	caller
x19	s3	Saved registers	caller
x20	s4	Saved registers	caller
x21	s5	Saved registers	caller
x22	s6	Saved registers	caller
x23	s7	Saved registers	caller
x24	s8	Saved registers	caller
x25	s9	Saved registers	caller
x26	s10	Saved registers	caller
x27	s11	Saved registers	caller
x28	t3	Temporaries	caller
x29	t4	Temporaries	caller
x30	t5	Temporaries	caller
x31	t6	Temporaries	caller

Base指令格式：

RV32I指令格式包括以下6种，每种指令格式都是固定的32位指令，所以指令在内存中必须4字节对齐，否则将触发异常。其中rd表示目的寄存器，rs1是源操作数寄存器1，rs2是源操作数寄存器2。

imm表示指令中的立即数，比如imm[11:0]，表示一个12位的立即数，它的高20位会符号位扩展，imm[31:12]表示一个32位的立即数，它的低12位会补0。

下图是各种指令格式扩展后的32位立即数。

RV32I整数指令集

RV32I整数指令集分为几个种类：

1.Load和store指令

Category		Fmt	RV32I base	machine code(bin)	comment
Loads	load byte	I	lb rd, rs1, imm	[31-20,imm][19-15,rs1]000[11-7,rd]0000011	rd=mem[rs1+imm], 8bit数据符号位扩展后返回rd
	load half word	I	lh rd, rs1, imm	[31-20,imm][19-15,rs1]001[11-7,rd]0000011	rd=mem[rs1+imm],16bit数据符号扩展后返回rd,应该保证地址对齐，否则产生异常
	load word	I	lw rd, rs1, imm	[31-20,imm][19-15,rs1]010[11-7,rd]0000011	rd=mem[rs1+imm],32bit数据返回rd，应该保证地址对齐，否则产生异常
	load byte unsinged	I	lbu rd, rs1, imm	[31-20,imm][19-15,rs1]100[11-7,rd]0000011	rd=mem[rs1+imm], 8bit数据高位补0后返回rd
	load half unsinged	I	lhu rd, rs1, imm	[31-20,imm][19-15,rs1]101[11-7,rd]0000011	rd=mem[rs1+imm], 16bit数据高位补0后返回rd

stores	store byte	S	sb rs1, rs2, imm	[31-25,imm[11-5]][24-20,rs2,][19-15,rs1]000[11-7,imm[4-0]]0100011	mem[rs1+imm]=rs2的低8bit数据
	store half word	S	sh rs1, rs2, imm	[31-25,imm[11-5]][24-20,rs2,][19-15,rs1]001[11-7,imm[4-0]]0100011	mem[rs1+imm]=rs2的低16bit数据
	store word	S	sw rs1, rs2, imm	[31-25,imm[11-5]][24-20,rs2,][19-15,rs1]010[11-7,imm[4-0]]0100011	mem[rs1+imm]=rs2的32bit数据

RV32I是一个load /store架构，所有的memory访问都是通过load/store指令，其它指令都是在寄存器之间进行运算，比如加法指令，减法指令等等。注意，装入目的寄存器如果为x0，将会产生一个异常。Load/Store指令在memory和寄存器之间传输数据，Load指令编码为I型，store指令编码为S型。计算memory地址时候，imm都会符号扩展成32位，然后和rs1相加，得到memory地址。为了提高性能，load/store指令应该尽量对齐地址，比如lw指令，应该4字节对齐访问地址，lh应该双字节对齐访问地址。根据微架构实现的不同，不对齐地址的访问可能会比较慢，而且地址对齐访问，能够确保是原子操作，不对齐的话为了读取和存储数据正确，还有进行额外的同步操作。

2.整数计算指令(算术，逻辑指令，比较指令以及移位指令)

Category

Fmt

RV32I base

machine code(bin)

comment

arithmetric	add	R	add rd, rs1, rs2	0000000[24-20,rs2][19-15,rs1]000[11-7,rd]0110011	rd=rs1+rs2，如果溢出，舍弃高位，保留低32bit
	add immediate	I	addi rd, rs1, imm	[31-20,imm][19-15,rs1]000[11-7,rd]0010011	rd=rs1+imm,12bit立即数会符号位扩展，结果写回rd时如果溢出，则舍弃高位，保留低32bit
	subtract	R	sub rd, rs1, rs2	0100000[24-20,rs2][19-15,rs1]000[11-7,rd]0110011	rd=rs1-rs2，如果溢出，舍弃高位，保留低32bit
	load upper imm	U	lui rd, imm	[31-12,imm][11-7,rd]0110111	load imm to  high 20 bits of rd, and place 0 in low 12 bits
	add upper imm to PC	U	auipc rd, imm	[31-12,imm][11-7,rd]0010111	pc=pc+high 20 bits imm&low 12 bits 0, then result save to rd.
logical	xor	R	xor rd, rs1, rs2	0000000[24-20,rs2][19-15,rs1]100[11-7,rd]0110011	rd=rs1^rs2, bitwise operation
	xor immediate	I	xori rd, rs1, imm	[31-20,imm][19-15,rs1]100[11-7,rd]0010011	rd=rs1^imm, i符号扩展12bit数imm，结果放在rd。
	or	R	or rd, rs1, rs2	0000000[24-20,rs2][19-15,rs1]110[11-7,rd]0110011	rd=rs1|rs2, bitwise operation
	or immediate	I	ori rd, rs1, imm	[31-20,imm][19-15,rs1]110[11-7,rd]0010011	rd=rs1|imm,  符号扩展12bit数imm，结果放在rd。
	and	R	and rd, rs1, rs2	0000000[24-20,rs2][19-15,rs1]111[11-7,rd]0110011	rd=rs1&rs2, bitwise operation
	and immediate	I	andi rd, rs1, imm	[31-20,imm][19-15,rs1]111[11-7,rd]0010011	rd=rs1&imm, i符号扩展12bit数imm，结果放在rd。

shifts	shift left	R	SLL rd, rs1, rs2	0000000[24-20,rs2][19-15,rs1]001[11-7,rd]0110011	rd=rs1<<rs2，rs1左移值为rs2的低5bit，低位补0
	shift left immediate	I	SLLI rd, rs1, shamt	0000000[24-20,imm][19-15,rs1]001[11-7,rd]0010011	rd=rs1<<shamt，rs1移动5bit立即数，低位补0
	shift right	R	SRL rd, rs1, rs2	0000000[24-20,rs2][19-15,rs1]101[11-7,rd]0110011	rd=rs1>>rs2，高位补0，右移值为rs2中的低5位
	shift right immediate	I	SRLI rd, rs1, shamt	0000000[24-20,imm][19-15,rs1]101[11-7,rd]0010011	rd=r1>>shamt，高位补0，右移值为5bit立即数
	shift right arithmetirc	R	SRA rd, rs1, rs2	0100000[24-20,rs2][19-15,rs1]101[11-7,rd]0110011	rd=rs1>>rs2，高位补符号位，右移值为rs2中的低5位
	shift right arith imm	I	SRAI rd, rs1, shamt	0100000[24-20,imm][19-15,rs1]101[11-7,rd]0010011	右移时，右边补符号位

compare	set <	R	slt rd, rs1, rs2	0000000[24-20,rs2][19-15,rs1]010[11-7,rd]0110011	if rs1< rs2, write 1 to rd, 有符号数比较
	set < immediate	I	slti rd, rs1, imm	[31-20,imm][19-15,rs1]010[11-7,rd]0010011	if rs1<imm, write 1 to rd，imm会符号位扩展，所以进行有符号数比较
	set < unsigned	R	sltu rd, rs1, rs2	0000000[24-20,rs2][19-15,rs1]011[11-7,rd]0110011	if rs1< rs2, write 1 to rd, 无符号数比较
	set < imm unsigned	I	sltiu rd, rs1, imm	[31-20,imm][19-15,rs1]011[11-7,rd]0010011	if rs1<imm, write 1 to rd，imm会符号位扩展，所以进行有符号数比较

计算指令在寄存器和寄存器之间，或者在寄存器和立即数之间进行算术或逻辑运算。指令格式为I，R或者U型。整数计算指令不会产生异常。我们能够通过ADDI x0, x0, 0来模拟NOP指令，该指令除了改变pc值外，不会改变其它任何用户状态。

3. 控制指令，包括无条件跳转指令和条件跳转指令

Category

Fmt

RV32I base

machine code(bin)

comment

branch	branch =	SB	beq  rs1, rs2,imm	[31-25, imm[12][10:5]][24-20, rs2][19-15, rs1]000[11-7, imm[4:1][11]]1100011	if(rs1==rs2) pc=pc+imm*2,跳转指令
	branch <>	SB	bne  rs1, rs2,imm	[31-25, imm[12][10:5]][24-20, rs2][19-15, rs1]001[11-7, imm[4:1][11]]1100011	if(rs1!=rs2) pc=pc+imm*2,跳转指令
	branch <	SB	blt  rs1, rs2,imm	[31-25, imm[12][10:5]][24-20, rs2][19-15, rs1]100[11-7, imm[4:1][11]]1100011	if(rs1<rs2) pc=pc+imm*2,跳转指令 ,   有符号数
	branch >=	SB	bge  rs1, rs2,imm	[31-25, imm[12][10:5]][24-20, rs2][19-15, rs1]101[11-7, imm[4:1][11]]1100011	if(rs1>rs2) pc=pc+imm*2,跳转指令，有符号数
	branch < unsigned	SB	bltu  rs1, rs2,imm	[31-25, imm[12][10:5]][24-20, rs2][19-15, rs1]110[11-7, imm[4:1][11]]1100011	if(rs1<rs2) pc=pc+imm*2,跳转指令，无符号数
	branch >=unsigned	SB	bgeu  rs1, rs2,imm	[31-25, imm[12][10:5]][24-20, rs2][19-15, rs1]111[11-7, imm[4:1][11]]1100011	if(rs1>rs2) pc=pc+imm*2,跳转指令，无符号数
jump and link	J&L	UJ	JAL rd, imm	[31-12, imm[20][10:1][11][19:12]][11-7,rd]1101111	pc=pc+imm*2, 现在的pc+4写入rd寄存器
	Jump and link register	UJ	JALR, rd, rs1, imm	[31-20,imm[11:0]][19-15,rs1]000[11-7,rd]1100111	pc=rs1+imm, pc+4写入到rd寄存器

JAL指令使用20位的立即数作为偏移，所以它仅可以跳转到前后1M的地址空间。JALR使用12位的立即数，其值和rs1中的值相加，得到偏移量。

4. 同步指令

Category

Fmt

RV32I base

machine code(bin)

comment

Synch	synch thread	I	FENCE iorw，iorw	0000[27-24,pred][23-20,succ]00000000000000001111	pred/succ分别表示fence之前和之后的 iorw
	synch instr and data	I	FENCE.i	00000000000000000001000000001111	用于同步指令和数据流

Risc-V在多个hart（硬件线程）之间使用的是松散一致性模型，所以需要存储器fence指令。

fence指令能够保证存储器访问的执行顺序。在fence指令之前的所有存储器访问指令，比该fence之后的所有数据存储器访问指令先执行。

Risc-V架构将数据存储器的地址空间分为设备IO(device IO)和普通存储器空间，因此其读写访问分为四种类型：

I：设备读（device-input)

O:设备写（device-ouput）

R：存储器读（memory-reads）

W：存储器写（memory-writes）

PI/PO/PR/PW,分别f表示ence指令之前的四种读写访问类型，SI/SO/SR/SW分别表示fence指令之后的四种读写访问类型。

fence.i指令用于同步指令和数据流。如果程序中添加一个fence.i,则该指令能够保证fence.i之前所有指令的访存结果能被fence.i之后的所有指令访问到。通常说来，处理器的微架构硬件实现时，一旦遇到一条fence.i指令，便会先等到之前的所有访存指令执行完，然后冲刷流水线，包括Icache，使其后的所有指令，能够重新取指，从而得到最新的值。

注意：fence.i只能保证同一个hart(硬件线程）执行的指令流和数据流顺序，不能保证多个hart之间的指令流和数据流访问。

5.控制状态寄存器指令

Category

Fmt

RV32I base

machine code(bin)

comment

CSR	CSRRW	I	CSRRW	[31-20,csr][19-15, rs1]001[11-7,rd]1110011	csrrw rd, csr, rs1, 将csr索引的寄存器值读出，写到rd，将rs1中的值写入csr
	CSRRS	I	CSRRS	[31-20,csr][19-15, rs1]010[11-7,rd]1110011	csrrs rd, csr, rs1, 将csr索引寄存器值读出写到rd，以rs1为参考，如果rs1中某位为1，则置位对应的csr寄存器位，其他位不受影响。
	CSRRC	I	CSRRC	[31-20,csr][19-15, rs1]011[11-7,rd]1110011	csrrc rd, csr, rs1, 将csr索引寄存器值读出写到rd，以rs1为参考，如果rs1中某位为1，则清零对应的csr寄存器位，其他位不受影响。
	CSRRWI	I	CSRRWI	[31-20,csr][19-15, zimm]101[11-7,rd]1110011	csrrwi rd, csr, imm[4:0], 将csr索引寄存器值读出写到rd,5位立即数的值写入csr，高位补0
	CSRRSI	I	CSRRSI	[31-20,csr][19-15, zimm]110[11-7,rd]1110011	csrrsi rd, csr, imm[4:0], 将csr索引寄存器值读出写到rd,5位立即数的值(高位补0）逐位比较，如果为1，则置位csr相应位
	CSRRCI	I	CSRRCI	[31-20,csr][19-15, zimm]111[11-7,rd]1110011	csrrci rd, csr, imm[4:0], 将csr索引寄存器值读出写到rd,5位立即数的值(高位补0）逐位比较，如果为1，则清零csr相应位

CSR指令包括上面表中的6条指令，通常在用户层，不会访问写csr的指令。

这些CSR指令实现都是原子操作。对于CSRRW和CSRRWI来说，如果rd为x0，则不会有任何写操作。对于CSRS和CSRRC指令，如果rs1为x0，则不会有任何写操作。对于CSRRSI和CSRRCI来说，如果立即数为0，则不会有任何写操作。

用CSR指令可以实现一些伪指令，例如读取始终频率等。详细见伪指令列表。

6.环境调用和断点指令

Category

Fmt

RV32I base

machine code(bin)

comment

System	system call	I	ECALL	00000000000000000000000001110011	用于生成环境调用异常，产生异常时候，mepc寄存器将保存当前指令pc值。
	system break	I	EBREAK	00000000000100000000000001110011	生成断点，产生异常时候，mepc寄存器将保存当前指令pc值。

这两条指令能够产生环境调用异常和生成断点异常，产生异常时候，当前指令的pc值被写入mepc寄存器。

这两条指令在调试代码时候有用。