Набор непривилегированных инструкций RISC-V

Обзор инструкций

Простой пример

Для понимания принципа использования инструкций, рассмотрим простой пример, в котором используется только одна инструкция: addi rd, rs1, imm, которая добавляет константное целое imm (в диапазоне 12-ти битного знакового: -2048…2047) к содержимому регистра rs1 и записывает результат в регистр rd. Другими словами выполняется операция rd = rs1 + imm. После получения инструкции программный счётчик инкрементируется и будет содержать адрес следующей инструкции, что можно условно записать как pc = cp + 4, поскольку размер инструкции в машинном коде равен 4 байтам.

Инструкция addi x1, x0, 1 добавляет число 1 к значению 0, которое хранится в регистре x0 (в регистре x0 всегда хранится значение 0) и пишет результат, равный 1, в регистр x1. Машинный код инструкции addi x1, x0, 1 - это (в шестнадцатеричном представлении) 0x00100093. Префикс 0x перед числом показывает, что число задано в шестнадцатеричной системе счисления. Далее мы увидим, как именно работает кодирование чисел. По аналогии, инструкция addi x1, x1, 1 добавляет значение 1 к содержимому регистра x1 и записывает результат обратно в регистр x1. Машинный код этой инструкции - 0x00108093.

Теперь представим, что эти машинные коды располагаются в памяти начиная с адреса 0x0. Поскольку каждая инструкция занимает 4 байта, первая инструкция располагается по адресу 0x0, а вторая - по адресу 0x4. Программный счётчик указывает на начало исполняемого кода, следовательно, он равен значению 0x0:

Адрес     Машинный код     Инструкции
0x0       0x00100093       addi x1, x0, 1
0x4       0x00108093       addi x1, x1, 1

После запуска этих двух строк кода микропроцессор начинает выполнение с адреса 0x0. Как уже было объяснено выше, в результате выполнения первой строки в регистре x1 будет получено число 1, при этом программный счётчик будет инкрементирован до значения 0x4. Выполнение второй строки приведёт к увеличению значения регистра x1 на 1. Так как его значение было равно 1 в результате предыдущей операции, регистр после выполнения второй строки примет значение, равное 2.

На рис.3.1 показан пример того, как этот исходный код запускается в симуляторе Ripes.

Рис. 3.1. Запуск рассмотренного примера в симуляторе Ripes

Кодирование инструкций

Базовые целочисленные инструкции в микропроцессорах архитектуры RISC-V разделены на пять типов, каждый из которых имеет свой тип кодирования. Типы соответствуют задачам, выполняемым машинной инструкцией: R-type (register, регистр), I-type (immediate, непосредственное значение), S-type (store, хранение), B-type (branch, ветвление), U-type (upper immediate, верхнее непосредственное значение), и J-type (jump, переход). Таблица 3.3 ниже показывает принцип кодирования:

Таблица 3.3

Рассмотрим предыдущий пример. Машинный код инструкции addi x1, x0, 1 - это значение 0x00100093. Побайтное представление кода может быть получено из таблицы выше, зная, что код операции равен 0x13, значение funct3 равно 0x0, и что код типа I (целочисленная операция).

Таким образом, машинный код инструкции addi x1, x0, 1 в побитовом представлении формируется следующим образом:

Поскольку каждые 4 бита могут быть объединены в шестнадцатеричное число, машинный код получается равным 0x00100093.

Арифметические и логические операции (с непосредственными значениями)

Приведённая ниже таблица 3.4 содержит инструкции, которые используют непосредственные данные. Программный счётчик обновляется после выполнения каждой инструкции и не приводится.