RISC-V指令与寄存器

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前言

在RISC-V项目调试和项目开发过程中，难免会遇到RISC-V体系结构和汇编的问题。比如笔者在利用编译生成的dump文件，对Nuclie处理器指令执行进行调试的过程中，就遇到了指令长度和指令操作的问题。

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下面参考《基于FPGA和RISC-V的嵌入式系统设计》，以RISC-V 地址空间/ RV32I 通用寄存器与函数调用约定/ RV32I 指令格式三个角度介绍。

一、RISC-V 地址空间

内存地址空间可以用来分配给代码、数据，或者作为寄存器的内存映射（Memory
Mapped Registers）。在物理实现时，代码和数据可以共用存储（von Neumann，
冯·诺依曼架构），也可以分别存储（Harvard，哈佛架构）。和其他的处理器一样，
RISC-V 的处理器也是通过程序计数器（Program Counter，PC）来指示当前正在执
行的指令地址的。
在寄存器的内存映射部分，大部分的外围设备寄存器都会被映射到这个空间，
其中也包括机器模式的定时器（Mtime）和定时器触发值（Mtimecmp）。

RV32I 指令集包含 32 个通用寄存器，32位处理器中每个通用寄存器x0…x10…x31都是占4个字节。
在 RISC-V 的特权架构部分还对控制与状态寄存器（Control Status Register，
CSR）做了定义，并单独分配了 12 位的地址空间。在用户指令集中，则专门定义
了 Zicsr 指令集扩展来对 CSR 进行操作。

二、 RV32I 通用寄存器与函数调用约定

RV32I 基础指令集总共定义了 32 个 32 位的通用寄存器。它们分别被标记为
x0 ～ x31。其中零号寄存器 x0 是只读寄存器，其值永远为零。
在用汇编语言编写时，这 32 个寄存器
的名称也根据其在调用约定中的职能而被重新命名。具体如下表：

需要指出的是，除了硬件指令集会对函数调用约定产生影响外，高级
语言的编译器也会对其有影响。
例如，对下面的函数：

void dummy(int a，int b，int c，int d，int e)；

不同的编译器可能对函数参数压栈的顺序有不一致的理解。有的会从左到右，以
a、b、c、d、e 的顺序压栈；有的则反之，从右到左压栈。

三、RV32I 指令格式

RV32I 的基本指令格式只有 4 种，分别是寄存
器类型（R-TYPE）、短立即数类型（I-TYPE）、内存存储类型（S-TYPE）、高位立即数类型（U-TYPE）。
为了方便跳转指令，RV32I 还包含两种衍生格式 B-TYPE（Branch，条件跳转）
与 J-TYPE（Jump，无条件跳转）。B-TYPE 衍生于 S-TYPE，B-TYPE 除了立即数
的位排列与 S-TYPE 不一样外，其他的格式都与 S-TYPE 一样。J-TYPE 也是通过
类似的方式衍生于 U-TYPE。用这种方式衍生新格式的目的是便于硬件产生目标
地址。
这些指令格式非常规整，其操作码、源寄存器和目标寄存器总是
位于相同的位置上，简化了指令解码器的设计。

总结

RISC-V的设计有自己独到的地方，还需要我们结合实际的场景去不断深入理解。下一篇就以“RV32I 算术与逻辑指令”为视角，看看指令格式与汇编code的对照关系。