总结RV64I指令集

RV64I中的I表示Base Architecture，我觉得是Integer的首字母，它们都是最基础的必须要有的指令，共记51条指令。

x0寄存器永远为0。任何时候读得到0，任何时候写入，等于写入黑洞。

            7        5       5      3          5        7
R:  |   funct7   |  rs2  |  rs1  |funct3|     rd    | opcode
I:  |     imm[11:0]      |  rs1  |funct3|     rd    | opcode
S:  |  imm[11:5] |  rs2  |  rs1  |funct3|  imm[4:0] | opcode
SB: |imm[12|10:5]|  rs2  |  rs1  |funct3|imm[4:1|11]| opcode
U:  |           imm[31:12]              |     rd    | opcode
UJ: |     imm[20|10:1|11|19:12]         |     rd    | opcode

Arithmetic

add x5, x6, x7   // x5 = x6 + x7
sub x5, x6, x7   // x5 = x6 - x7
addi x6, x6, 20  // x5 = x6 + 20
addw
subw
addiw

addi指令格式为I-type，立即数有12bit，按补码表达，取值范围-2^11 -- 2^11-1，即[-2048 -- 2047]。因此没有subi指令，直接addi一个负数即可。3条word version指令，只操作寄存器的低32bits。

Logical

and x5, x6, x7   // x5 = x6 & x7
or  x5, x6, x7   // x5 = x6 | x7
xor x5, x6, x7   // x5 = x6 ^ x7
andi x5, x6, 20  // x5 = x6 & 20
ori x5, x6, 20   // x5 = x6 | 20
xori x5, x6, 20  // x5 = x6 ^ 20

取反操作，通过异或全F来实现，没有单独的指令。（这样不会破坏3寄存器指令的美感）

Shift

sll x5, x6, x7    // x5 = x6 << x7
srl x5, x6, x7    // x5 = x6 >> x7 (logical)
sra x5, x6, x7    // x5 = x6 >> x7 (arithmetic)
slli x5, x6, 3    // x5 = x6 << 3
srli x5, x6, 3    // x5 = x6 >> 3  (logical)
srai x5, x6, 3    // x5 = x6 >> 3  (arithmetic)
sllw
srlw
sraw 
slliw
srliw
sraiw

slli，srli和srai采用I-type，但12bits的立即数，只用低6bits，因为位移超过63是没意义的。（gcc会有warning，超过63后结果不可预测）高6bits取名为funct6，用来区分这3条指令。6条word version指令，只操作寄存器的低32bits。

lui x5, 0x12345    // x5 = 0x12345000

lui指令采用U-type格式。它将20bits的立即数，存入目标寄存器，然后左移12位，目标寄存器的高32位，复制此20bits的最高位。lui配合addi，就可以在寄存器中得到一个32bits的立即数。

Data Transfer

RISC-V uses byte addresses。ld指令使用I-type，12bits立即数，补码表达，byte offset。sd指令也只有12bits立即数，不同的是，sd指令采用S-type，这12bits的分布位置不同。

ld x5, 40(x6)      // x5 = Memory[x6+40] (doubleword, 64bits)
sd x5, 40(x6)      // Memory[x6+40] = x5
lw x5, 40(x6)      // x5 = Memory[x6+40] (word, 32bits, sign extension)
lwu x5, 40(x6)     // x5 = Memory[x6+40] (unsigned word, zero extension)
sw x5, 40(x6)      // Memory[x6+40] = x5
lh x5, 40(x6)      // x5 = Memory[x6+40] (half word, 16bits)
lhu x5, 40(x6)     // x5 = Memory[x6+40] (unsigned half word)
sh x5, 40(x6)      // Memory[x6+40] = x5
lb x5, 40(x6)      // x5 = Memory[x6+40] (byte)
lbu x5, 40(x6)     // x5 = Memory[x6+40] (unsigned byte)
sb x5, 40(x6)      // Memory[x6+40] = x5

Branch

beq x5, x6, 100     // if(x5 == x6) goto PC+100
bne x5, x6, 100     // if(x5 != x6) goto PC+100
blt x5, x6, 100     // if(x5 < x6) goto PC+100
bge x5, x6, 100     // if(x5 >= x6) goto PC+100
bltu x5, x6, 100    // if(x5 < x6) goto PC+100 (unsigned)
bgeu x5, x6, 100    // if(x5 >= x6) goto PC+100 (unsigned)

采用SB-type格式，12bits立即数，但使用时要乘2，因此conditional branch只能branch to even address。实际地址范围PC + [-4096 -- 4094]。因为RV64I地址固定4字节，每条指令的起始地址都是偶数。另外有一套RISC-V的标准，地址是2字节，为了兼容，因此这里只乘了2。

jal x1, 100        // x1 = PC+4; goto PC+100
jalr x1, 100(x5)   // x1 = PC+4; goto x5+100

jal是唯一采用UJ格式的指令，UJ格式有20bits的地址立即数。同样，jal指令中的立即数也要乘2，只能encode偶数地址。而jalr有2个寄存器，采用I-type格式。

auipc x1, 0x12345    // x1 = PC+0x12345000

类似lui指令，auipc指令将一个20bits的立即数与PC相加，但是加到PC的12到31位，或者说，左移12位再加，结果存入寄存器。如果再配合上一条addi指令，就可以实现围绕PC进行4G地址空间的地址计算。

Set Less Than

slt x5, x6, x7       // x5 = x6<x7 ? 1: 0
sltu x5, x6, x7      // x5 = x6<x7 ? 1: 0 (unsigned)
slti x5, x6, 42      // x5 = x6<42 ? 1: 0
sltiu x5, x6, 42     // x5 = x6<42 ? 1: 0 (unsigned)

Synchronization

lr.d x10, (x20)        // x10 = Memory[x20]，load-reserved
// 尝试将x12写入Memroy[20]，
// 如果写入时Memroy[20]值没有发生变化，写入成功，x11=1，
// 如果写入时Memroy[20]值与lr.d时不一样，写入失败，x11=0。
sc.d x11, x12, (x20)

        addi x12, x0, 1       // x12 = 1
again:  lr.d x10, (x20)       // read lock
        bne x10, x0, again    // if not zero, read again
        sc.d x11, x12, (x20)  // if zero, try to set 1
        bne x11, x0, again    // if set fail, try again

Addressing

所谓addressing，就是通过哪种方式，确定operand在哪里！共有4种Addressing Modes：

伪指令

前面内容，已经将RV64I涉及的所有51条指令全部总结了。而所谓伪指令，就是RISC-V汇编器提供的为了方便编写代码但ISA中并不真实存在的指令。由于这些指令不属于ISA，因此称为伪指令。伪指令汇编之后，会被翻译成真实指令，一条伪指令对应一条或多条真实指令。伪指令的存在，稍微降低了一点点直接用汇编编写代码的难度。

加载立即数。如果使用li伪指令获得立即数，当立即数大于12bit能够表达的范围时，li伪指令将会被翻译为lui和addi的组合，以支持一个32bit可以表达的立即数。

加载地址。如果使用la伪指令来实现基于PC的寻址，当需要的地址大于20bit所内表达的范围时，la伪指令会被翻译为auipc和addi的组合，以支持一个32bit可以表达的立即数。