RISC-V 指令概况
模块化的指令体系结构设计
RISC-V 的指令集体系结构是模块化的。最基础的指令是 RV32I，即 32 位的整数指令集，包含了所有的 RISC-V 处理器都必须要实现的指令。模块化的方式让 RISC-V 的指令集体系结构有了在基础指令集上进行扩展的能力：RV64I，这是 64 位的整数指令扩展；RV32M 是乘法指令扩展；RV32F 是单精度浮点扩展；RV32D 是双精度浮点扩展等。RV32IMFD 就代表了把对应的乘法，单精度，双精度模块扩展到基础的 RV32I 中。
最基本的 RV32I 指令集
指令分为四大类，带下划线的字母从左到右连接就组成了 RV32I 指令名称，花括号{}表示里面的每项都是指令的不同变体，上划线表示不包含这个字母的也是一个指令名称，例如，and 这一组指令表示以下六个指令：and，or，xor，andi，ori，xori。
寄存器
RV32I 指令集体系结构中一共有 32 个寄存器，x0 到 x31，其中 x0 总是 0。
与其它的指令集体系结构一样，RV32I 中的一些寄存器也有别名，别名可以帮助记忆关于调用惯例方面的规范。
下面是寄存器及其别名的对应关系：
x0 / zero
x1 / ra (return address)
x2 / sp (stack pointer)
x3 / gp (global pointer)
x4 / tp (thread pointer)
x5 / t0 (temporary)
x6 / t1
x7 / t2
x8 / s0 / fp (saved register, frame pointer)
x9 / s1
x10 / a0 (function argument, return value)
x11 / a1 (function argument, return value)
x12 / a2
x13 / a3
x14 / a4
x15 / a5
x16 / a6
x17 / a7
x18 / s2 (saved register)
x19 / s3
x20 / s4
x21 / s5
x22 / s6
x23 / s7
x24 / s8
x25 / s9
x26 / s10
x27 / s11
x28 / t3
x29 / t4
x30 / t5
x31 / t6
另外，RV32I 有程序计数器（即 PC 寄存器），该寄存器不属于通用寄存器，指向当前正在执行的指令的内存地址。
通用寄存器有如下的一些别名：zero, ra, sp, gp, tp, t0-t6, s0-s11, fp(s0), a0-a7。寄存器的别名涉及到 RISC-V 上的过程调用惯例，包括哪些寄存器用来放置参数，哪些寄存器用来放置返回值，哪些寄存器是调用者保存的，哪些寄存器是被调用者保存的等。对于底层的硬件来说，这些寄存器除了 x0 之外没有任何区别。
指令格式概述
RV32I 指令集体系结构有基本的 6 种指令格式，分别是：
- 用于寄存器和寄存器之间操作的 R 类型指令；
- 用于短立即数和访存 load 的 I 型指令；
- 用于访存 store 的 S 型指令；
- 用于条件跳转的 B 型指令；
- 用于长立即数的 U 型指令；
- 用于无条件跳转的 J 型指令。
所有指令的长度都是 32 位的。R 类型指令使用三个寄存器操作数。在指令编码上，所有指令中对应寄存器标识的位置是固定的。这样的指令格式设计使得在解码指令之前，就可以开始访问寄存器。立即数字段总是符号扩展，符号位总是在指令中的最高位，这意味着可能成为关键路径的立即数符号扩展也可以在指令解码之前进行。
指令格式类型，对应的指令编码的位置：
可以看到，B 类型和 S 类型格式，J 类型和 U 类型格式几乎是一样的，区别是对于某些字段的解释有一定的区别。所以，也可以认为 RV32I 只有 4 种类型。
另外 RV32I 也规定全 0 的指令码和全 1 的指令码都是非法指令，可以方便程序员调试。
整数运算指令
算术指令：add, sub
逻辑指令：and, or, xor
移位指令：sll, srl, sra
上述指令还有立即数的版本，立即数总是进行符号扩展。
程序可以根据比较结果生成布尔值，并将比较结果写入到目标寄存器中：slt 和 sltu。比较指令也有对应的立即数版本：slti, sltiu。（带 u 后缀的为无符号版本）
加载立即数到高位 lui 将 20 位常量加载到寄存器的高 20 位，接着可以使用标准的立即数指令来创建 32 位常量。由于 32 位常量本来就需要占用全部的 32 位，而指令长度也是 32 位，因此不得不使用拼接的方式来构造出 32 位的常量来放置到 32 位的寄存器中，使用 lui 指令来达到这个目的。
auipc 指令将立即数左移 12 位加到 PC 上，并将结果写入到目标寄存器。这样，可以将 auipc 中的 20 位立即数与 jalr 中的 12 位立即数组合，将执行流程转移到任何相对于 PC 寄存器的 32 位偏移地址。另外，auipc 指令组合普通加载或存储指令中的 12 位立即数偏移量，可以使得程序访问任何相对于 PC 寄存器的 32 位偏移地址处的数据。这些特性对于实现位置无关的代码是非常有帮助的。
访存指令
32bits: lw sw
16bits: lh lhu sh
8bits: lb lbu sb
RISC-V 是精简指令集体系结构（RISC：Reduced Instruction Set Computer），使用明确的内存访问指令来访问内存，其它的指令都不会涉及到内存。在 RV32I 中支持的寻址模式是符号扩展 12 位立即数加上基地址寄存器。另外，RISC-V 使用的是小端机结构。
条件分支指令
beq
bne
bge
bgeu
blt
bltu
条件分支指令用于程序中条件分支的执行。由于 RISC-V 指令长度必须是两个字节的倍数，分支指令确定目标地址的方式是 12 位的立即数乘以 2，进行符号扩展，然后叠加到 PC 上作为分支的跳转地址。另外，值得注意的是 RISC-V 指令中没有条件码。
大位宽数据加法
在 RV32I 中，每个寄存器是 32 位，如果要实现 64 位，就需要把 64 位整数分成高 32 位和低 32 位，保存在两个寄存器中。
那么如何实现 64 位整数求和？这种大位宽数据的加法的实现如下：
// {a3, a2} 即把低位保存在 a2，高位保存在 a3 的 64 位整数
// {a3, a2} + {a5, a4} = {a1, a0}
add a0, a2, a4
sltu a2, a0, a2
add a1, a3, a5
add a1, a2, a1
检测加法溢出
RISC-V 依赖于软件进行溢出检查。
检查无符号加法的溢出：
add t0, t1, t2
bltu t0, t1, overflow
检查有符号加法的溢出：
add t0, t1, t2
slti t3, t2, 0 # t3 = (t2 < 0) ? 1 : 0
slt t4, t0, t1 # t4 = (t1 + t2 < t1) ? 1 : 0
bne t3, t4, overflow
无条件跳转指令
- jal 将下一条指令 PC+4 的地址保存到目标寄存器中，通常是返回地址寄存器 ra。如果使用 x0 来替换 ra，则可以实现无条件跳转，因为 x0 不能被更改。
- jalr 可以调用地址是动态计算出来的函数，或者也可以实现调用返回（ra 作为源寄存器，x0 作为目标寄存器）。
杂项指令
控制状态（Control Status）寄存器的相关指令。控制状态寄存器用来进行处理器的控制，包括处理器的优先级配置，中断相关处理以及虚拟地址的相关处理。
- csrrc, csrrs, csrrw, csrrci, csrrsi, csrrwi 可以用来访问控制状态寄存器。
- ecall 指令用于向运行时环境发出调用请求，一般用于实现系统调用。
- ebreak 指令将控制转移到调试环境。
- fence 指令对外部可见的访存请求，例如设备 IO 和内存访问等进行串行化。
- fence.i 同步指令和数据流。
RV32I 函数调用惯例
函数调用的惯例包括哪些寄存器用于存放参数，哪些寄存器由调用者保存，哪些寄存器由被调用者保存，并且在返回的时候恢复等函数调用相关的寄存器等资源的使用方法。在 RV32I 的调用惯例中，临时寄存器，参数寄存器在被调用者使用之后不必保存。 寄存器别名中 s 开头的寄存器为被调用者保存的寄存器，在函数调用前后要保持不变。
RV32I 函数的入口
entry_label:
addi sp, sp, -framesize
sw ra, framesize-4(sp)
函数的结尾部分
lw ra, framesize-4(sp)
addi sp, sp, framesize
ret
在栈空间的使用方面，进入函数的时候如果有需要的话开辟一段空间作为当前函数调用的临时空间，在函数调用返回的时候恢复栈空间。
伪指令
伪指令是为了方便程序员编写汇编代码使用的，它们不是真的机器指令，而是会被汇编器翻译为真实的物理指令。
例如：ret 被翻译为：jalr x0, x1, 0
下表给出了一系列伪指令及其依赖的真实的处理器物理指令（这些伪指令都依赖于 x0 寄存器，从中可以看到 x0 寄存器的作用）。
下表是另外一些伪指令及其被翻译之后的物理指令：
汇编器指导语句
下面是汇编器指导语句（assembler directives），可以在汇编语言的源代码中看到。了解这些指示指导语句可以帮助理解汇编语言编写的程序。
.text # 进入代码段
.align 2 # 后续代码按照 2 字节对齐
.global main # 声明全局符号 main
.section .rodata # 进入只读数据段
.balign 4 # 数据段按照 4 字节对齐
.string "hello, %s!\n" # 创建空字符结尾的字符串
更多汇编器指导语句见下表：
