RISC-V 格式

总览

RISC-V 的6种指令格式：

R-format: 寄存器-寄存器数学指令
I-format: 寄存器-立即数指令以及加载指令
S-format: 存储指令
B-format: 分支指令
U-format: 上半立即数指令
J-format: 跳转指令

R-format

指令布局:

字段说明:

opcode (7 bits): 操作码，指示指令类型。对于 R-format 指令，opcode 通常为 0110011。
rd (5 bits): 目的寄存器地址
funct3 (3 bits): 功能码，指示具体操作
rs1 (5 bits): 源寄存器1地址
rs2 (5 bits): 源寄存器2地址
funct7 (7 bits): 功能码，进一步指示具体操作

指令示例:

add x18, x19, x20

所有R-format指令:

`funct7`	`rs2`	`rs1`	`funct3`	`rd`	`opcode`	指令名
`0000000`	`rs2`	`rs1`	`000`	`rd`	`0110011`	`add`
`0100000`	`rs2`	`rs1`	`000`	`rd`	`0110011`	`sub`
`0000000`	`rs2`	`rs1`	`001`	`rd`	`0110011`	`sll`
`0000000`	`rs2`	`rs1`	`010`	`rd`	`0110011`	`slt`
`0000000`	`rs2`	`rs1`	`011`	`rd`	`0110011`	`sltu`
`0000000`	`rs2`	`rs1`	`100`	`rd`	`0110011`	`xor`
`0000000`	`rs2`	`rs1`	`101`	`rd`	`0110011`	`srl`
`0100000`	`rs2`	`rs1`	`101`	`rd`	`0110011`	`sra`
`0000000`	`rs2`	`rs1`	`110`	`rd`	`0110011`	`or`
`0000000`	`rs2`	`rs1`	`111`	`rd`	`0110011`	`and`

I-format

立即数指令

指令布局:

字段说明:

I-format指令的字段与R-format指令的区别只在于 rs2 和 funct7 被替换成了一个12位的立即数 imm。
opcode (7 bits): 操作码，指示指令类型。对于 I-format 立即数指令，opcode 通常为 0010011（算术立即数指令）或 0000011（加载指令）。
rd (5 bits): 目的寄存器地址
funct3 (3 bits): 功能码，指示具体操作
rs1 (5 bits): 源寄存器地址
imm (12 bits): 立即数，直接编码在指令中。在数学立即数指令中，imm 是一个有符号数，可以表示 -2048 到 2047 之间的值，在使用之前一直符号扩展为 32 位。

指令示例:

addi x15, x1, -50

所有I-format立即数指令:

`imm[11:0]`	`funct3`	`rd`	`opcode`	指令
`imm[11:0]`	`000`	`rd`	`0010011`	`addi`
`imm[11:0]`	`010`	`rd`	`0010011`	`slti`
`imm[11:0]`	`011`	`rd`	`0010011`	`sltiu`
`imm[11:0]`	`100`	`rd`	`0010011`	`xori`
`imm[11:0]`	`110`	`rd`	`0010011`	`ori`
`imm[11:0]`	`111`	`rd`	`0010011`	`andi`
`0000000` / `shamt`	`001`	`rd`	`0010011`	`slli`
`0000000` / `shamt`	`101`	`rd`	`0010011`	`srli`
`0100000` / `shamt`	`101`	`rd`	`0010011`	`srai`

加载指令

指令布局:

字段说明:

I-format指令中，存储指令字段与立即数指令相同，区别在于 opcode 不同以及 imm 的使用方式不同。
opcode (7 bits): 操作码，指示指令类型。对于 I-format 加载指令，opcode 通常为 0000011。
rd (5 bits): 目的寄存器地址
funct3 (3 bits): 功能码，指示具体加载类型
rs1 (5 bits): 基址寄存器地址
imm (12 bits): 立即数，表示内存地址的偏移

指令示例:

lw x14, 8(x2)

所有I-format加载指令:

`imm[11:0]`	`rs1`	`funct3`	`rd`	`opcode`	指令
`imm[11:0]`	`rs1`	`000`	`rd`	`0000011`	`lb`
`imm[11:0]`	`rs1`	`001`	`rd`	`0000011`	`lh`
`imm[11:0]`	`rs1`	`010`	`rd`	`0000011`	`lw`
`imm[11:0]`	`rs1`	`100`	`rd`	`0000011`	`lbu`
`imm[11:0]`	`rs1`	`101`	`rd`	`0000011`	`lhu`

S-format

指令布局:

字段说明:

opcode (7 bits): 操作码，指示指令类型。对于 S-format 存储指令，opcode 通常为 0100011。
funct3 (3 bits): 功能码，指示具体存储类型
rs1 (5 bits): 基址寄存器地址
rs2 (5 bits): 源寄存器地址，存储指令中 rs2 寄存器的值将被存储到内存中
imm (12 bits): 立即数，表示内存地址的偏移。

指令示例:

sw x14, 8(x2)

所有S-format存储指令:

`imm[11:5]`	`rs2`	`rs1`	`funct3`	`imm[4:0]`	`opcode`	指令
`imm[11:5]`	`rs2`	`rs1`	`000`	`imm[4:0]`	`0100011`	`sb`
`imm[11:5]`	`rs2`	`rs1`	`001`	`imm[4:0]`	`0100011`	`sh`
`imm[11:5]`	`rs2`	`rs1`	`010`	`imm[4:0]`	`0100011`	`sw`

B-format

说明:

如何表示Label? Label是跳转的指令地址，可以通过与当前指令的地址的差值来表示。这个差值就是一个立即数，直接编码在指令中。
Label一定要存偏移量的每一位吗? 不需要，立即数的每一位不需要存储在指令中。因为指令地址是对齐的。 (注意:只省略了偏移量的最后一位)

指令布局:

字段说明:

opcode (7 bits): 操作码，指示指令类型。对于 B-format 分支指令，opcode 通常为 1100011。
funct3 (3 bits): 功能码，指示具体分支类型
rs1 (5 bits): 源寄存器1地址
rs2 (5 bits): 源寄存器2地址
imm (13 bits): 立即数，表示跳转的偏移量。由于指令地址是对齐的，所以立即数的最后一位被省略了。

指令示例:

Loop: 
    beq x19, x10, End
    add x18, x18, x10
    addi x19, x19, -1
    j Loop
End:

立即数扩展: 下面的图片演示了I/S/B-format指令中立即数的扩展方式

所有B-format分支指令:

`imm[12]`	`imm[10:5]`	`rs2`	`rs1`	`funct3`	`imm[4:1]`	`imm[11]`	`opcode`	指令
`imm[12]`	`imm[10:5]`	`rs2`	`rs1`	`000`	`imm[4:1]`	`imm[11]`	`1100011`	`beq`
`imm[12]`	`imm[10:5]`	`rs2`	`rs1`	`001`	`imm[4:1]`	`imm[11]`	`1100011`	`bne`
`imm[12]`	`imm[10:5]`	`rs2`	`rs1`	`100`	`imm[4:1]`	`imm[11]`	`1100011`	`blt`
`imm[12]`	`imm[10:5]`	`rs2`	`rs1`	`101`	`imm[4:1]`	`imm[11]`	`1100011`	`bge`
`imm[12]`	`imm[10:5]`	`rs2`	`rs1`	`110`	`imm[4:1]`	`imm[11]`	`1100011`	`bltu`
`imm[12]`	`imm[10:5]`	`rs2`	`rs1`	`111`	`imm[4:1]`	`imm[11]`	`1100011`	`bgeu`

U-format

lui/auipc

指令含义:

lui (load upper immediate): 将20位立即数左移12位加载到寄存器中，低12位填0。
auipc (add upper immediate to pc): 将20位立即数左移12位加上当前指令地址(pc)，并将结果存储在寄存器中。

典型用途:

# 加载一个32位立即数到寄存器中
lui rd, imm20
addi rd, rd, imm12

# 加载相对PC地址偏移量的指令地址到寄存器中
auipc rd, imm20
lw rd, imm12(rd)

# 实现32位立即数宽度的长跳转
auipc rd, imm20
jalr rd, imm12(rd)

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