RISC-V 指令集及相关概念总结

一、基础指令

（一）加法与减法指令

• 加法指令：add rd, rs1, rs2
  将寄存器rs1和rs2的值相加，结果存入寄存器rd。

• 减法指令：sub rd, rs1, rs2
  将寄存器rs1的值减去rs2的值，结果存入寄存器rd。

（二）立即数加法指令

• 立即数加法：addi rd, rs1, imm
  将寄存器rs1的值与立即数imm相加，结果存入寄存器rd。

二、数据传输指令

（一）加载指令

• lw rd, rs1, imm
  从内存地址rs1 + imm处加载一个字（32位）到寄存器rd。

• lb rd, rs1, imm
  从内存地址rs1 + imm处加载一个字节（8位）到寄存器rd的低8位，并进行符号扩展。

• lbu rd, rs1, imm
  从内存地址rs1 + imm处加载一个字节（8位）到寄存器rd的低8位，不进行符号扩展。

（二）存储指令

• sw rs1, rs2, imm
  将寄存器rs1的值存储到内存地址rs2 + imm处。

• sb rs1, rs2, imm
  将寄存器rs1的低8位的值存储到内存地址rs2 + imm处。

三、内存地址与字节序

（一）内存地址

• 内存地址以字节为单位，而不是以字（32位）为单位。
• 字地址是4字节对齐的，即字地址与右起第一个字节（即最低有效字节）的地址相同，遵循小端序（Little-endian）约定。

（二）字节序

• 小端序：最低有效字节存放在内存的低地址端，例如数字1025在内存中的存储顺序为00000000 00000000 00000100 00000001。
• 大端序：最低有效字节存放在内存的高地址端，例如数字1025在内存中的存储顺序为00000001 00000100 00000000 00000000。

四、存储层次与速度

（一）存储层次

• 寄存器：位于处理器芯片上，速度极快但容量很小，通常只有32个字（128字节）。
• DRAM芯片：如DDR3/4/5、HBM/HBM2/3等，容量较大（笔记本电脑上通常为2GB到64GB），速度较寄存器慢很多。

（二）速度对比

• 寄存器比DRAM快约50-500倍（以单次访问的延迟来衡量，通常为几十纳秒），但后续字的访问间隔只有几纳秒。

五、分支指令

（一）条件分支

• 相等分支：beq reg1, reg2, L1
  如果reg1和reg2的值相等，则跳转到标签L1处执行，否则执行下一条指令。

• 不相等分支：bne reg1, reg2, L1
  如果reg1和reg2的值不相等，则跳转到标签L1处执行。

• 小于分支：blt reg1, reg2, Label
  如果reg1小于reg2，则跳转到标签Label处执行。

• 大于等于分支：bge reg1, reg2, Label
  如果reg1大于等于reg2，则跳转到标签Label处执行。

• 无符号版本：
  还有bltu和bgeu指令，用于无符号整数的比较。

（二）无条件分支

• 无条件跳转：j label
  无条件跳转到标签label处执行。

六、循环结构

（一）C语言循环类型

C语言中有while、do...while和for三种循环结构，它们都可以相互转换，因此在RISC-V汇编中可以采用相同的分支方法来实现。

（二）RISC-V中的循环实现

关键在于使用条件分支指令来控制循环的继续或退出。例如，将C语言中的for循环转换为RISC-V汇编代码时，会使用bge等分支指令来判断循环条件是否满足，从而决定是否跳转回循环的开始处继续执行。

七、逻辑指令

（一）位运算

• and rd, rs1, rs2
  寄存器rd的值为rs1和rs2的按位与结果。

• andi rd, rs1, imm
  寄存器rd的值为rs1和立即数imm的按位与结果。常用于创建掩码，如andi x5, x6, 3可隔离x6的最低两位。

• or rd, rs1, rs2
  寄存器rd的值为rs1和rs2的按位或结果。

• ori rd, rs1, imm
  寄存器rd的值为rs1和立即数imm的按位或结果。

• xor rd, rs1, rs2
  寄存器rd的值为rs1和rs2的按位异或结果。

• xori rd, rs1, imm
  寄存器rd的值为rs1和立即数imm的按位异或结果。可用于实现逻辑非，如xori x5, x6, -1可实现x5 = ~x6。

（二）移位指令

• sll rd, rs1, rs2
  将寄存器rs1的值向左逻辑移位rs2位，结果存入寄存器rd。

• slli rd, rs1, imm
  将寄存器rs1的值向左逻辑移位imm位，结果存入寄存器rd。

• srl rd, rs1, rs2
  将寄存器rs1的值向右逻辑移位rs2位，结果存入寄存器rd。

• srli rd, rs1, imm
  将寄存器rs1的值向右逻辑移位imm位，结果存入寄存器rd。

• sra rd, rs1, rs2
  将寄存器rs1的值向右算术移位rs2位，结果存入寄存器rd。算术移位在移位时会将符号位复制到空出的高位，适用于有符号数的移位。

• srai rd, rs1, imm
  将寄存器rs1的值向右算术移位imm位，结果存入寄存器rd。

八、程序存储与执行

（一）程序存储

程序以指令的形式存储在内存中，每条 RISC-V 指令占用 32 位（4 字节）。
指令和数据都存储在内存的字节中，内存地址以字节为单位。

（二）程序执行

• 取指令：从内存中取出指令。

• 执行指令：控制单元使用数据通路和存储系统执行指令，并更新程序计数器（PC）。
  默认情况下，PC 会自动加 4 字节，以指向下一顺序指令。
  分支和跳转指令会改变 PC 的值，从而改变程序的执行流程。

• 程序计数器（PC）：处理器内部的一个寄存器，用于