Datapath部分见： RISC-V Datapath

RISC-V Instruction 的格式通常为
Operation Code + Destination Register + First Operand Register + Second Oprand Register

如 add x1, x2, x0 所对应的 opcode = add ; rd = x1; rs1 = x2; rs2 = x0

基础部分 RV32I Base Integer ISA

对于RV32I，有32个寄存器，分别是：

寄存器 调用名字 用途 存储者 调用中是否保留
x0 zero 常数"0" N.A. -
x1 ra 返回地址 Caller No
x2 sp 栈指针 Callee Yes
x3 gp 全局指针 / -
x4 tp 线程指针 / -
x5 t0 临时存储/alternate link register Caller No
x6-x7 t1-t2 临时存储 Caller No
x8 s0/fp 保存用寄存器/帧指针（配合栈指针界定一个函数的栈） Callee Yes
x9 s1 保存用寄存器 Callee Yes
x10-x11 a0-a1 函数参数/返回值 Caller No
x12-x17 a2-a7 函数参数 Caller No
x18-x27 s2-s11 保存用寄存器 Callee Yes
x28-x31 t3-t6 临时存储 Caller No

然后还有pc寄存器。

而对于RV32F和RV32D，也有32个寄存器，分别是：

寄存器 调用名字 用途 存储者 调用中是否保留
f0-f7 ft0-ft7 浮点临时存储 Caller No
f8-f9 fs0-fs1 浮点保存用寄存器 Callee Yes
f10-f11 fa0-fa1 浮点函数参数/返回值 Caller No
f12-f17 fa2-fa7 浮点函数参数 Caller No
f18-f27 fs2-fs11 浮点保存用寄存器 Callee Yes
f28-f31 ft8-ft11 浮点临时存储 Caller No
**Tips:**

callee:是一个指针，指向拥有这个arguement对象的函数；

caller:保留着调用当前函数的函数的引用。
**Tips:**

调用中是否保留 Preserved across call

保留数据不被改变的称为saved register;否则为temporary register。对于 ra: Just a reminder that if you choose to save the return address in a register, then that register must be one which is preserved across procedure calls. Even better, save ra on the stack.

RV32I标准指令集有以下几种框架：

  • R-format for register-register arithmetic/logical operations
  • I-format for register-immediate arith/logical operations and loads
  • S-format for stores
  • B-format for branches
  • U-format for 20-bit upper immediate instructions
  • J-format for jumps
  • Others: Used for OS & Syncronization

R即Reg相关；I即立即数相关；S存储相关；B分支相关；U高位数相关（因为一条32位指令中无法表示高达32位的数据）；J跳转相关。

**Tips: About Arithmetic & Logical Operations.**

逻辑右移(LSR)是将各位依次右移指定位数，然后在左侧补0，算术右移(ASR)是将各位依次右移指定位数，然后在左侧用原符号位补齐。

逻辑左移与算术左移操作相同。

RISC-V采用小端格式（Little-Endian），即**低位**字节排放在内存的**低地址**端，高位字节排放在内存的高地址端。

R-Format

通常是XXX rd, rs1, rs2。

Funct7 rs2 rs1 Funct3 rd opcode
7 5 5 3 5 7

31.........................................................0

R-Format的 Opcode = 0110011

其中，Funct7 + Funct3 + opcode 定义了要执行的操作。但其实Funct7在RV32I中应用不多，比如Add和Sub有Funct7的改变。

/ Funct7 Funct3 opcode 用途
ADD 0000000 000 0110011 加法
SUB 0100000 000 0110011 减法
SLL 0000000 001 0110011 左移
SLT 0000000 010 0110011 Set Less Than
SLT := rs1 < rs2 ? 1:0
SLTU 0000000 011 0110011 SLT Unsigned
XOR 0000000 100 0110011 异或
SRL 0000000 101 0110011 逻辑右移
SRA 0100000 101 0110011 算术右移
OR 0000000 110 0110011 或
AND 0000000 111 0110011 与

相关伪指令：

mv rd, rs = addi rd, rs, x0

nop = addi r0, r0, x0

not rd, rs = xori rd, rs, 111111111111

**Note:**

因为某事突然发现RISC-V好像没有循环移位的指令（未查证），要实现循环移位估计要三条指令以上。

I-Format

Immediate rs1 Funct3 rd opcode
12 5 3 5 7

31.........................................................0

I-Format的 Opcode = 0010011

/ Shift-by-immediate (shamt) rs1 Funct3 rd opcode
0000000 5 5 3 5 7

31.........................................................0

第一部分包括ADDI, SLTI, SLTIU, XORI, ORI, ANDI（立即数有12位）和SLLI, SRLI, SRAI（立即数仅有5位），还包括JALR。

第二部分包括load instruction，格式同ADDI（12位的立即数）Load Opcode 0000011有LB(load byte) ，LH(load halfword=2 bytes)， LW，LBU(load unsigned byte)，LHU(load unsigned halfword)。

S-Format

Imm[11:5] rs2 rs1 Funct3 Imm[4:0] opcode
7 5 5 3 5 7

31.........................................................0

S-Format的 Opcode = 0100011

包括SB，SW，SH等指令。

B-Format

imm[12] imm[10:5] rs2 rs1 Funct3 imm[4:1] imm[11] opcode
1 6 5 5 3 4 1 7

31.........................................................0

B-Format的 Opcode = 1100011

可以表示-4096~4094的范围

**Note:**

The 12 immediate bits encode even 13-bit signed byte offsets (lowest bit of offset is always zero, so no need to store it).

包括BEQ，BNE，BLT(branch less than: if [rs1]<[rs2], then branch) ，BGE(branch greater than or equal: if [rs1]>=[rs2], then branch) ，BLTU，BGEU。

相关伪指令：

beqz x1, label　　=　　beq x1, x0, label

bnez x1, label　　=　　bne x1, x0, label

U-Format

imm[31:12] rd opcode
20 5 7

31.........................................................0

LUI – Load Upper Immediate lui rd, upper im(20-bit)

e.x.

lui x10, 0x87654 # x10 = original value → 0x87654000

AUIPC – Add Upper Immediate to PC

e.x.

auipc t0, 1　　# t0 = original value → PC + 0x00001000

auipc t0, 0　　# t0 = original value → PC

相关伪指令：

加载立即数

li rd, imm(32-bit) = lui rd, imm(20-bit) + addi rd, rd, imm(12-bit)

加载地址

la rd, label = auipc rd, imm(20-bit) + addi rd, rd, imm(12-bit)

J-Format

imm[20] imm[10:1] imm[11] imm[19:12] rd opcode
1 10 1 8 5 7

31.........................................................0

jal x0, label Discard return address

(1)jal ra, function_name

(2)jr ra Call Function within 2^18 (指令中得到的立即数为 22 bits，而1条指令占用了4字节=32 bits).

注意jalr是I-Format而不是J-Format，其指令结构如下。
Immediate rs1 Funct3 rd opcode
imm 5 3 5 7
imm[11:0] rs1 000 rd 1100111

# Call function at any 32-bit absolute address

lui x1, <high 20-bit>

jalr ra, x1, <low 12-bit> Call Function at 32-bit absolute address

# Jump PC-relative with 32-bit offset

auipc x1, <high 20-bit>

jalr x0, x1, <low 12-bit> Jump within 32-bit

相关伪指令:

j label = jal x0, label

ret = jr ra = jalr x0, 0(ra)

**Elaboration:**

如上所述，B-Format可以看作是S-Format的一个变种（the immediate field is rotated 1 bit for branch instructions, a variation of the S-Format that we relabel the B-Format.）同理，J-Format也可以看作是U-Format的变种，或者说是某种复用。所以实际上RISC-V只有4种框架，但我们为了方便仍称呼6框架。

fig1

补充部分 RV32F and RV32D

待更新

补充部分 RV32V

待更新

补充部分 RV32M

RV32M是关于乘法和除法的指令。显然地，有

Quotient = (Dividend - Remainder) / Divisor

Product = Multiplicand * Multiplier

- RV32M -
multiply - mul
multiply high - mulh
/ usigned mulhu
/ signed unsigned mulhsu
divide - div
/ usigned divu
remainder - rem
/ unsigned remu

对于许多微处理器，整数除法指令相对很慢，而右移可以实现2的次方的除法（同理左移实现乘法）。而对于其它数作为除数也可以通过乘一个倒数，再修正乘积的高半部分进行优化。以下是一个除以3的例子。

lui t0, 0xaaaab #t0 = 0x000aaaab

addi t0, t0, -1365 #t0 ≈ 2^32 / 1.5 = 0xaaaaaaab

mulhu a1, a0, t0 #a1 ≈ a0 / 1.5

srli a1, a1, 0x1 #a1 = a0 / 3

可以看出在一些简单的情况这种方法可以推广（比如除数低于31位，且近似值容易恢复到原值的情况）。事实上，这个方法普遍适用，只是对于其他情形，修正过程会更加复杂。 关于正确性，生成倒数和修正的证明，见 Division by invariant integers using multiplication, Granlund and Montgomery 1994. HERE。这里简要描述下usigned division的理论基础。

假设m, d, l 是非负整数，d≠0，且满足

2N+l≤m∗d≤2N+l+2l2^{N+l}\leq m*d\leq 2^{N+l}+2^l

则对于任意整数n∈[0,2N+l)n\in [0, 2^{N+l})，有

floor(n/d)=floor(mn2N+l)floor(n/d)=floor(\frac{mn}{2^{N+l}})

PROOF

设k=md−2N+lk=md-2^{N+l}，那么有0≤k≤2l0\leq k\leq 2^l

给定n∈[0,2N+l)n\in [0, 2^{N+l})，有n=qd+rn=qd+r。其中r=mod(n, d)且满足 r∈[0,d−1]r\in [0, d-1]。易知同时有 floor(n/d)=qfloor(n/d)=q。

LetF=mn2N+l−floor(n/d)=mn2N+l−q=k+2N+ld×n2N+l−n−rd=k2l×n2Nd+nd−n−rd=k2l×n2N×1d+rd≤2N−12N×1d+d−1d=1−12Nd<1Let\quad F=\frac{mn}{2^{N+l}}-floor(n/d)\\ =\frac{mn}{2^{N+l}}-q =\frac{k+2^{N+l}}{d}\times\frac{n}{2^{N+l}}-\frac{n-r}{d}\\ =\frac{k}{2^l}\times\frac{n}{2^Nd}+\frac{n}{d}-\frac{n-r}{d} =\frac{k}{2^l}\times\frac{n}{2^N}\times\frac{1}{d}+\frac{r}{d}\\ \leq\frac{2^N-1}{2^N}\times\frac{1}{d}+\frac{d-1}{d} =1-\frac{1}{2^Nd}<1

所以floor(F)=0→floor(n/d)=floor(mn2N+l)floor(F)=0\to floor(n/d)=floor(\frac{mn}{2^{N+l}})。因此除以d可以用乘以m加移位操作来实现。

实际上，有nd<mn2N+l<n+1d\frac{n}{d}<\frac{mn}{2^{N+l}}<\frac{n+1}{d}，所以可以用m来代替d。

**Tips:**

MULH 和 MULHU 可以检查乘法中的溢出（这里指乘积是否超过32位）。

在执行除法指令前，请确认除数不为0. 用 beqz

MULHSU 对多字符号型乘法很有效。

补充部分 RV32A

待更新

补充部分 RV32C

待更新

补充部分 RV64

待更新

References

UC Berkeley CS61C

可以在线编译RISC-V的工具

The RISC-V Reader: An Open Architecture Atlas