浅谈RISCV指令集的基本指令格式和立即数操作

　　在以前的文章中，我分享了RISC-V在设计的初衷，除了可以被通用软件开发使用之外，还有一个目的就是，可以支持更多定制化的设计。也就是说，用户可以在基本指令集上面，进行一个或者多个的指令集扩展操作，但是有一个条件，不能再重新定义基本指令集。也就是说，任何一款基于RISC-V指令集的处理器，都要能够支撑整数基本指令集。可以看出基本指令集的重要性。
　　基本指令格式
　　那么今天我们就继续来分享一下，在基本指令集体系机构中（ISA），四种核心指令格式（R/I/S/U）。基本指令格式如下图所示：
　　图一 RISC-V 基本指令格式
　　从上图中，我们可以看出这四种核心指令格式有以下三个特点：所有指令的长度固定，都为32位，以4字节边界对齐；源寄存器rs1rs2，以及目标寄存器rd的位置保持不变；将立即数的符号位放置在最左边，方便进行符号扩展。
　　如果出现了条件分支或者无条件转移情况，并且地址没有按照4字节对齐时，就产生一个地址不对齐的异常。另外，为了指令译码简单，RISC-V ISA将rs1、rs2和rd寄存器放在相同位置，这导致立即数不同比特被分散开。例如，当需要加载一个32位立即数时，通常由load指令给出高20bits，常规指令给出低12bits，两个共同拼为32bits。
　　需要说明的是，上面这些扩展都是有符号扩展，如果对无符号数进行扩展，并没有看到很明显的收益，所以对于无符号数而言，没有进行扩展的指令，这也使得整个ISA更加简洁。
　　立即数编码
　　立即数处理，除了上面四种之外，还有两种变形（SB/UJ），立即数基本指令格式如下图所示：
　　图二 立即数基本指令格式
　　对比图一和图二，我们不难看出，在SB格式中，（imm[10:1]）和符号位被放在了固定的位置上面。SB中的最高位（imm[11]）被刚在S格式中的最低位（inst[7]）。U和UJ格式的区别与S和SB类似，就不再赘述。
　　在指令集中，立即数的符号扩展操作非常重要，为了立即数操作的高效性，在RISC-V中，将所有立即数的符号位固定在了指令的31位，这使得在指令译码的时候，可以同时进行立即数的符号扩展操作。虽然将立即数放在在指令中的固定位置，对于一些复杂的实现来讲，收益有限（因为会有对应的硬件开销支撑），但是这一做法仍然可以降低硬件电路的开销。
　　小结
　　今天我们分享了RISC-V中的基本指令格式，以及立即数编码格式的内容。从上面可以看出，整个RISC-V指令集的设计出发点，都是为了提升指令编译的效率，并且使得整个指令集更加简单。后面，我会继续分享RISC-V的其他指令，包括整数计算指令、控制指令等内容，欢迎大家继续关注。