reference: <riscv-spec.pdf>

1.RV32I指令集格式

六种基本指令格式，分别是：

目的	类型
用于寄存器-寄存器操作	R 类型指令
用于短立即数和访存 load 操作	I 型指令
用于访存 store 操作	S 型指令
用于条件跳转操作	B 类型指令
用于长立即数	U 型指令
用于无条件跳转	J 型指令

  如下所述，分支指令（B 类型）的立即数字段在 S 类型的基础上旋转了 1 位。跳转指令（J类型）的直接字段在 U 类型的基础上旋转了 12 位。因此,RISC-V 实际上只有四种基本格式，但我们可以保守地认为它有六种格式。
   B和 J 格式的分支和跳转地址必须向左移动 1 位以将地址乘以 2，从而给予分支和跳转指令更大的跳转范围。 RISC-V 将立即数中的位从自然排布进行了一些移位轮换，将指令信号的扇出和立即数多路复用的成本降低了近两倍， 这也简化了低端实现中的数据通路逻辑。

RISC-V的指令有几个特点：

1. 指令只有六种格式，并且所有的指令都是 32 位长，这简化了指令解码.
2. RISC-V 指令提供三个寄存器操作数，而不是像 x86-32 一样，让源操作数和目的操作数共享一个字段.
3. 在 RISC-V 中对于所有指令，要读写的寄存器的标识符总是在同一位置，意味着在解码指令之前，就可以先开始访问寄存器.在许多其他的 ISA 中，某些指令字段在部分指令中被重用作为源目的地， 在其他指令中又被作为目的操作数（例如， ARM-32 和 MIPS-32） 。因此，为了取出正确的指令字段，我们需要时序本就可能紧张的解码路径上添加额外的解码逻辑，使得解码路径的时序更为紧张.
4. 这些格式的立即数字段总是符号扩展，符号位总是在指令中最高位。这意味着可能成为关键路径的立即数符号扩展，可以在指令解码之前进行.

2.RV32I指令集清单

  RV32I 指令如下图示。 把带下划线的字母从左到右连接就组成了 RV32I 指令。花括号{}表示集合中垂直方向上的每个项目都是指令的不同变体。集合中的下划线_意味着不包含这个字母的也是一个指令名称。例如，左上角附近的符号表示以下六个指令： and， or， xor， andi， ori， xori。
  可见能分为四大类:(何其优雅的设计!)

3.汇编相关寄存器

  下表为寄存器x和寄存器f的汇编助记符,以及 RISC-V 调用约定，各种指针(sp/gp/tp/fp),返回地址(ra),保存寄存器（s0-s11）和临时寄存器(t0-t6).统一使用程序二进制接口（ABI）所定义的寄存器名称使其更易阅读:

4.RV32I相关操作

4.1 RV32I的整数操作

  简单的算术指令（add, sub）、逻辑指令（and, or, xor），以及移位指令（sll, srl, sra） 和其他 ISA 差不多。他们从寄存器读取两个 32 位的值，并将 32 位结果写入目标寄存器。 RV32I 还提供了这些指令的立即数版本。

  程序可以根据比较结果生成布尔值,为应对这种使用场景， RV32I 提供一个"当小于时置位"的指令。如果第一个操作数小于第二个操作数，它将目标寄存器设置为 1，否则为0。不出所料，对这个指令，有一个有符号版本（slt）和无符号版本（sltu），分别用于处理有符号和无符号整数比较。相应的，上述两条指令也有立即数版本的（slti， sltiu）。正如我们将要看到的，虽然 RV32I 分支指令可以检查两个寄存器之间的所有关系，但一些条件表达式涉及多对寄存器之间的关系。对于这些表达式，编译器或汇编语言程序员可以将slt 以及与或异或等逻辑指令组合使用来解决更复杂的条件表达式。

  lui和auipc这两条整数计算指令主要用于构造大的常量数值和链接。 加载立即数到高位（lui）将 20 位常量加载到寄存器的高 20 位。 接着便可以使用标准的立即指令来创建 32位常量。这样子， 仅使用 2 条 32 位 RV32I 指令，便可构造一个 32 位常量。向 PC 高位加上立即数（auipc） 让我们仅用两条指令， 便可以基于当前 PC 以任意偏移量转移控制流或者访问数据。将 auipc 中的 20 位立即数与 jalr 中 12 位立即数的组合，我们可以将执行流转移到任何 32 位 PC 相对地址。 而 auipc 加上普通加载或存储指令中的 12位立即数偏移量，使我们可以访问任何 32 位 PC 相对地址的数据。

4.2 RV32I的Load和Store操作

  除了提供 32 位字（lw， sw）的加载和存储外，RV32I 支持加载有符号和无符号字节和半字（lb， lbu， lh， lhu）和存储字节和半字（sb， sh）。有符号字节和半字符号扩展为 32 位再写入目的寄存器。即使是自然数据类型更窄，低位宽数据也是被扩展后再处理，这使得后续的整数计算指令能正确处理所有的 32 位。在文本和无符号整数中常用的无符号字节和半字，在写入目标寄存器之前都被无符号扩展到 32 位。加载和存储支持的唯一寻址模式是符号扩展 12 位立即数到基地址寄存器.

4.3 RV32I的控制转移之条件分支跳转

  RV32I 可以比较两个寄存器并根据比较结果上进行分支跳转。比较可以是： 相等（beq），不相等 （bne），大于等于（bge），或小于（blt） 。 最后两种比较有符号比较， RV32I 也提供相应的无符号版本比较的： bgeu 和 bltu。剩下的两个比较关系（大于和小于等于）可以通过简单地交换两个操作数，即可完成比较。 因为 x < y 表示 y > x 且 x ≥ y表示 y ≤ x。
  由于 RISC-V 指令长度必须是两个字节的倍数——关于可选的双字节指令 ，请参考压缩指令——分支指令的寻址方式是 12 位的立即数乘以 2， 符号扩展它，然后将得到值加到PC 上作为分支的跳转地址。 PC 相对寻址可用于位置无关的代码， 简化了链接器和加载器的工作 。

4.4 RV32I的控制转移之无条件跳转

  跳转并链接指令（jal）具有双重功能。若将下一条指令 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，便可以用它来实现过程调用。如果使用零寄存器（x0） 替换 ra 作为目标寄存器，则可以实现无条件跳转，因为 x0 不能更改。像分支一样， jal 将其 20 位分支地址乘以 2，进行符号扩展后再添加到 PC 上，便得到了跳转地址。

  跳转和链接指令的寄存器版本（jalr）同样是多用途的。它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（只需 ra 作为源寄存器，零寄存器（x0）作为目的寄存器）。 Switch 和 case 语句的地址跳转，也可以使用 jalr 指令，目的寄存器设为 x0。

4.5 RV32I的杂项操作

  控制状态寄存器指令 (csrrc、 csrrs、 csrrw、 csrrci、 csrrsi、 csrrwi)，使我们可以轻松地访问一些程序性能计数器。 对于这些 64 位计数器, 我们一次可以读取 32位。这些计数器包括了系统时间, 时钟周期以及执行的指令数目。

  在 RISC-V 指令集中， ecall 指令用于向运行时环境发出请求，例如系统调用。调试器使用 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，如设备 I/O 和内存访问等进行串行化。外部可见指对处理器的其他核心、线程，外部设备或协处理器可见。 fence.i 指令同步指令和数据流。在执行 fence.i 指令之前，对于同一个硬件线程， RISC-V 不保证用存储指令写到内存指令区的数据可以被取指令取到。