我們來回顧一下上期內容：我們定義了兩種指令，第一種是立即數指令，其指令規則是：xxxxxxxxxxxx（立即數）xxxxx（源寄存器序號）xxx（運算規則）xxxxx（目標寄存器序號）1（立即數標志位）。第二種指令是寄存器指令，其指令規則是：0000000xxxxx（源寄存器序號1）xxxxx（源寄存器序號2）xxx（運算規則）xxxxx（目標寄存器序號）0（立即數標志位）。不過呢，這些指令只是我們的一廂情愿，現實中實際的指令集是怎么實現的？

RISC－V指令格式

我們這次來講講RISC－V指令集，看看他們的指令集是如何設計的。

RISC－V指令集項目在2010年始于伯克利大學，是一個新穎先進的指令集。我們曾在前幾章中多次提到過這個指令集，不過也就是順嘴一題，這次我們具體看看究竟什么是RISC－V指令集。

首先RISC－V指令集由幾部分組成。最主要的部分是最基礎32位的RV32I，這部分是最基礎的指令集，是兼容RISC－V程序的必要部分。其次是16位的RVC，作為壓縮指令，可以極大節省程序占用內存的空間。再者是32位的RV32M，用以支持乘除法指令。此外還有RV32F、RV32A等等。為什么要分成這么多部分呢？因為我們設計的CPU大多不會對這些指令全部兼容，而是選擇有目的的部分兼容。比如，設計一個低功耗的單片機CPU，我們就用不到乘除法等指令，我們可以選擇只兼容RV32I，既簡單又高效。當然這些指令還有64位版本，用以支持更高位數的計算。

RISC－V指令集規定了CPU中有32個寄存器。有疑問嗎？你可能覺得指令集不就是指令的集合嘛，為什么還規定我們的硬件設計？不要忘了，32個寄存器意味著寄存器序號一共是5位，而這是由指令集決定的。順便一說X86指令集中僅規定有8個寄存器。其中，00000即第一個寄存器本質并不是寄存器而是硬件連線0，始終代表數字0。這個設計是有意義的，可以借此寫出許多騷操作的指令。

我們先講最基礎的RV32I指令集。作為最基礎的指令集，其包括幾種指令類型。分別是數字運算指令（包括寄存器指令和立即數指令）、pc跳轉指令、分支指令和內存讀寫指令。我們上次定義的指令集屬于數字運算指令，二者類型相同但內容并不完全一致。現在我來說說RV32I中的數字運算指令，你們可以和上次定義的指令集比比有何不同？這些差別能帶來好處還是壞處？

add指令釋義

首先是運算指令。RV32I一共定義了10種運算，分別是加法、減法、有符號比較、無符號比較、與、或、非、異或、邏輯左移、邏輯右移和算數右移。而這些運算分為寄存器指令和立即數指令。立即數指令中是無需減法指令的，因為我們曾經說過，減法可以通過對其中一個加數取反加一再與另一個加數求和實現，所以立即數可以直接在立即數上做文章，不需要減法指令。那我們是否需要十種運算電路來分別對應這十種計算指令呢？不用，我們只需要八種。少的那兩種分別是減法和移位。減法完全可以復用加法電路，左移完全可以復用右移電路。什么是復用？為什么要復用？復用就是重復利用原有的電路，減少設置新的電路。這樣可以節省芯片面積，節約生產成本，降低發熱功耗。那么如何復用呢？不同的電路有不同的復用方法，以減法復用加法為例，使用加法電路前，將其中一個數取反加一便可成為減法電路。

綜上所述，我們仍需要3位數字表示這八種運算邏輯，它們分別是000到111，這三位數字被稱為funct3（3位功能數字）。不過加法和移位運算中需要額外的一位數字用以區分加減和左右。這一位數字在哪呢？我們先講立即數移位指令，立即數一般是12位數字，但在移位運算中用不到這么多位數，一般只有5位。那么在這五位數之前會有7個空位，第二個空位便是這位數字所在。立即數加法指令不需要這一位數字，原因剛才有指出。寄存器指令中，同樣會存在7位空位，第二位空位是這位數字所在。

然后我們講一下另一類指令，內存讀寫指令。不過我們在此之前需要指出一件事，我們現在有兩種指令類型了，分別是運算指令和內存讀寫指令，我們怎么區分呢？RV32I設置了另一種功能數字，funct7（7位功能數字），為什么會有七位呢？因為指令類型很多，funct7不單起到區分RV32I指令類型的作用，同時還區分所有RISC－V的所有指令，甚至還包括16位和64位指令，所以funct7會有7位數字。回到內存讀寫指令上來，讀和寫可以被看成兩種類型，需要一位數字區分，這位數字在funct7中。讀和寫都需要地址，否則不知道讀哪或是寫哪。

同時讀指令還需要知道取到的內容放到哪，而寫指令需要知道寫什么內容。先說地址，地址是由某一寄存器中的數字加上七位立即數得到，這樣正好組成之前說的12位數字。讀指令放到哪呢？放到目標寄存器嘛。寫指令的內容從哪來呢？來源寄存器嘛。這不就和之前的指令樣式對應起來了嗎？所以這兩種指令樣式區別其實不大。只不過執行內容有所區別。

我們現在剛剛簡單講完兩種指令類型，是不是很多人就已經迷失自我了？難道所有這些指令規則只能通過繁瑣的文字來講述嗎？這里就要提到指令集圖卡了。

RV32I指令集圖卡

上圖就是實拍RV32I指令集圖卡，每一行都代表著一條指令，你所要做的便是填入對應的寄存器序號和立即數即可。其中rs1和rs2分別是來源寄存器1和2，rd是目標寄存器，imm是立即數。有的指令可能只需要一個來源寄存器甚至一個都不要，有的指令可能不需要目標寄存器，有的指令可能需要12位立即數，有的則可能要20位立即數。這些在指令集圖卡中都體現出來了。看到右邊英文中，我手寫的幾道黑橫線了嗎？夾在里面的指令是我們在前文中所講的指令類型，可以再根據這張圖對前文進行理解，會容易得多哦。

舉個例子，比如加法指令，看到最右側有兩個add，分別是I addi和R add，區別在于一個是立即數加法，一個是寄存器加法。對應到靠右邊的方框中是不是可以看到7位數字，這就是funct7，中間有3位數字000，這就是funct3。寄存器指令中的最左側7位數字是空著的為0000000，而立即數指令中最左側則是12位的立即數。再看R add下面的R sub，與R add唯一的區別是不是左邊第二位數字變成了1？這就是之前所說的復用所需的那一位數字。現在是不是能完全和之前所說的聯系起來了？也沒那么難對吧？

剩下的下次再來吧？還是你們剩下的都能自己看懂了？可以找公眾號回復一下，我想看看。


審核編輯：劉清