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TechMind

指令表示

一、概述🧀

本质：一切都是数字，都在内存储存内

程序可以像数据一样被修改

不需要重新接线（ENIAC → 现代计算机）

后果：

  • 指令、数据都有地址；PC（Program Counter）存当前指令地址
  • 程序是二进制分发；新机器要兼容旧程序

二、RISC-V 指令本质及格式🧀

  • 基础 RV32I 指令都是 32 bit，格式规则、便于译码；启用 C 扩展后还会出现 16 bit 压缩指令，因此不能笼统地说所有 RISC-V 指令都固定为 32 bit

  • 优点在于解码简单，pipeline 友好

  • 指令 = 字段（fields）

一个指令被拆成多个字段：

  • opcode（操作类型）
  • rs1 / rs2（源寄存器）
  • rd（目标寄存器）
  • funct3 / funct7（细分操作）
  • immediate（立即数）

RV32-instruction.png

1、R-type（寄存器运算）🧀

R-format 指令的opcode是0110011，func3+func7是存在冗余的，十个字节本来可以表示1024条指令但是这里只用表示大约10条指令

比如 

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add x18, x19, x10
# 0000000   |01010  |10011  |000    |10010  |0110011
# add       |rs2=10 |rs1=19 |add    |rd=18  |Reg-Reg OP

再比如

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add x4, x3, x2
# a. 4021 8233
# b. 0021 82b3
# c. 4021 82bb3
# d. 0021 8233
# e. 0021 8234
# 从首位和末尾可以迅速推出答案d

2、I-type（立即数 & load）🧀

把func7和rs2合并成一个imm[11:0]，一共12位，范围[-2048~+2047]，imm会进行符号位拓展

比如

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addi x15, x1, -50
# 111111001110  |00001  |000    |011111 |0010011
# imm=-50       |rs1=1  |add    |rd=15  |OP-Imm
lw x14, 8(x2)
# 000000001000  |00010  |010    |01110  |0000011
# imm=+8        |rs1=2  |lw     |rd=14  |LOAD

位移和load操作也是用的I-type指令

3、S-type（store）🧀

这里没有 rd（因为不写寄存器），而且 immediate 被拆成两段

4、B-type（branch）🧀

B-type是给 条件跳转用的。它的本质不是跳到某个绝对地址而是

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如果条件成立：
    PC = PC + imm * 2
如果条件不成立：
    PC = PC + 4 # 下一条指令

但 RISC-V 实际设计为了兼容 16-bit compressed instructions，branch offset 是按 2 bytes 对齐的，也就是说 branch immediate 表示的是“半字节对齐单位”，不是完整 4-byte 指令单位

比如

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beq x19, x10, +16
# 0000000 |01010 |10011 |000 |1000 |0 |1100011
# imm=+16 |rs2=10|rs1=19|beq |imm  | |BRANCH
blt x8, x9, +12
# 0000000 |01001 |01000 |100 |0110 |0 |1100011
# imm=+12 |rs2=9 |rs1=8 |blt |imm  | |BRANCH
bgeu x3, x4, -4
# 1111111 |00100 |00011 |111 |1110 |1 |1100011
# imm=-4  |rs2=4 |rs1=3 |bgeu|imm  | |BRANCH

5、U-type（大立即数）🧀

用来构造 32-bit 常数，因为addi 只能放 12-bit 立即数（±2048），所以 \(32bit 常数 = 高20位 + 低12位\)

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lui  rd, 高20位
addi rd, rd, 低12位

正常情况下直接拆就好，但是如果遇到拆出来低12位是负数就要特判

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# 0x12345678
lui  x10, 0x12345
addi x10, x10, 0x678
# 0xDEADBEEF
lui  x10, 0xDEADC # 0xEEF = 1110 1110 1111 = -273
addi x10, x10, 0xEEF

conclude-ISA.svg