RISCV体系结构

一、指令集概述

RISCV是一套开源的精简指令集。

RISCV是一种模块化的指令集。RISCV由一个基本的ISA和多个可选的扩展指令集构成。基础的指令集是固定的永远不会改变。这意味着使用RISCV基础指令集，为编译器编写者，操作系统开发人员和汇编语言程序员提供了稳定的目标。并且使用基础指令集使得RISCV在低能耗和小型化方面很有优势。并且要实现更高性能的，或者更多的CPU支持特性，RISCV指令集也可以使用扩展指令集来来模块化的达到自己的目标。

• 基本指令集
  • RV32I：32位的整数指令集
  • RV32E：RV32I的子集，用于小型的嵌入式场景
  • RV64I：64位的整数指令集，兼容RV32I
  • RV128I：128位的整数指令集，兼容RV64I和RV32I
• 扩展指令集
  • M：整数乘法（multiplication）与除法指令集
  • A：存储器原子（Atomic）指令
  • F：单精度（32bit）浮点（Float）指令集
  • D：双精度（64bit）浮点（Float）指令集
  • C：压缩（Compressed）指令集
  • ……其他标准指令集和非标准的扩展指令集

用基础指令集加上扩展指令集的后缀来表示一个完整的RISCV指令集，用G（general）表示支持所有的标准扩展指令集。

例如

• RV32IMA：32位的整数指令集＋Multiplication+Atomic
• RV64G：64位实现IMAFD

嵌入式指令集RV32E

• 嵌入式指令集常和C压缩指令集一起使用，用于提高代码密度
• 嵌入式指令集不支持浮点指令子集。要使用浮点指令集必须使用RV32I
• 嵌入式架构仅支持机器模式和用户模式不支持其他的特权模式
• 嵌入式架构仅支持直接的物理地址管理，而不支持虚拟地址

二、架构特性

1.寄存器

• RISC-V 的 Unprivileged Specification 定义了32个通用寄存器，以及一个PC
  • 对 RV32I/RV64I/RV128I 都一样。
  • 如果实现支持 F/D 扩展则需要额外支持32个 浮点（Float Point）寄存器。
  • RV32E 将32个通用寄存器缩减为16个。
• 寄存器的宽度由 ISA 指定
  • RV32的寄存器宽度为 32 位，RV64的寄存器宽度为64位，依次类推。
• 每个寄存器具体编程时有特定的用途以及各自的别名。由RISC-V Application Binary Interface（ABI）定义。

寄存器说明：

• X0（zero）：0寄存器，始终为0
• X1（ra）：用于返回地址（return address）
• X2（sp）：用于栈指针（stack pointer）
• X3（gp）：用于通用指针
• X4（tp）：用于线程指针（thread pointer）
• X5（t0）：用于存放临时数据，或者作为备用链接寄存器

2. 工作模式