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RISC-V 指令集手册

卷 1：用户级指令集体系结构（User-Level ISA）

2.1 版

（翻译：要你命 3000@EETOP 翻译版本 1.0）

Andrew Waterman, Yunsup Lee, David Patterson, Krste Asanović

CS Division, EECS Department, University of California, Berkeley

{waterman|yunsup|pattrsn|krste}@eecs.berkeley.edu

2016 年 5 月 31 日

该文档同时也是 UCB/EECS-2016-118 技术报告

序言

这是描述 RISC-V 用户级体系结构文档的 2.1 版。注意已经冻结的基本用户级 ISA 和 2.0

版的 IMAFDQ 扩展从该文档的上一个版本[30]以来并没有发生变化，但是填充了一些规范的

“空洞”以及改善了文档。对软件约定做了一些改变。

 对注释部分做了大量地添加和改进。

 每一章有单独的版本号。

 修改了＞64 位的长指令编码，以避免在非常长的指令格式里移动 rd 区分符。

 现在使用基本整数格式来描述 CSR 指令，引入了计数器寄存器，不同于（以前版本）

仅在后面的浮点部分（和特权体系结构手册中）引入。

 SCALL 指令和 SBREAK 指令被分别重命名为 ECALL 指令和 EBREAK 指令。它们的编码

和功能并没有改变。

 澄清了浮点 NaN 的处理，以及一个新的规定的 NaN 值。

 澄清了浮点到整数转换溢出时的返回值。

 澄清了 LR/SC 允许的成功和要求的失败，包括在序列中使用压缩指令。

 一个新的 RV32E 基本 ISA 提案，可减少整数寄存器数量。

 修订了调用约定。

 放松了软浮点调用约定的栈对齐，描述了 RV32E 调用约定。

 一个修订的 C 压缩扩展提案，版本 1.9。

2.0 版的序言

用户指令集体系结构规范的第二个发布版本，我们试图保持这个基本的用户 ISA 加上通

用扩展（就是 IMAFD），在未来版本中保持固定不变。从这个 ISA 的 1.0 版本[29]以来，有如

下变化：

 ISA 被划分为一个整数基本内核和几个标准扩展。

 重新组织了指令格式，使得立即数编码更加高效。

 基本的 ISA 被定义为拥有一个小端（little-endian）的存储器系统，而大端、双端作

为非标准的变种。

 Load-Reserved/Store-Conditional（LR/SC）指令被添加进原子指令集扩展。

 AMO 和 LR/SC 指令可以支持释放一致性模型（release consistency model）。

 FENCE 指令提供了细粒度的存储器和 I/O 序列化（orderings）。

 加入了 fetch-and-XOR 的 AMO（AMOXOR），对 AMOSWAP 的编码进行了修改，以便

留出空间。

 将 20 位立即数加到 PC 上的 AUIPC 指令，替换了 RDNPC 指令，AUIPC 指令只读取

当前的 PC 值。这导致对位置无关代码（position-independent code）的大量简化。

 JAL 指令现在被移动到 U 类型格式，具有一个显示的（explicit）目标寄存器，而 J

指令被 rd=x0 的 JAL 指令所代替。这个改变，消除了唯一一条需要隐式（implicit）

目标寄存器的指令，并且从标准 ISA 中去掉了 J 类型指令格式。这虽然是 JAL 指令

的一个附加效果，但是却极大地减少了基本 ISA 的复杂性。

 去掉了 JALR 指令的静态提示（static hints）。对于使用标准调用约定编译的代码来

说，这些提示和 rd、rs1 寄存器是冗余的。

第 1 章介绍 ........................................................................................................................... 1

1.1 RISC-V ISA 概述 ......................................................................................................... 3

1.2 指令长度编码 ........................................................................................................... 5

1.3 异常、自陷和中断 ................................................................................................... 6

第 2 章 RV32I 基本整数指令集，2.0 版 .............................................................................. 8

2.1 基本整数子集的程序员模型 ................................................................................... 8

2.2 基本指令格式 ........................................................................................................... 9

2.3 立即数编码变种 ..................................................................................................... 10

2.4 整数计算指令 ......................................................................................................... 11

整数寄存器-立即数指令................................................................................................ 12

整数寄存器-寄存器操作................................................................................................ 13

NOP 指令 ........................................................................................................................ 14

2.5 控制转移指令 ......................................................................................................... 14

无条件跳转 ..................................................................................................................... 14

条件分支 ......................................................................................................................... 15

2.6 Load 和 store 指令 .................................................................................................. 17

2.7 存储器模型 ............................................................................................................. 18

2.8 控制和状态寄存器指令 ......................................................................................... 20

CSR 指令 ......................................................................................................................... 20

定时器和计数器 ............................................................................................................. 22

环境调用和断点 ............................................................................................................. 23

第 3 章 RV32E 基本整数指令集，版本 1.9 ....................................................................... 24

3.1 RV32E 程序员模型 ................................................................................................. 24

3.2 RV32E 指令集 ......................................................................................................... 24

3.3 RV32E 扩展 ............................................................................................................. 25

第 4 章 RV64I 基本整数指令集，版本 2.0 ........................................................................ 26

4.1 寄存器状态 ............................................................................................................. 26

4.2 整数计算指令 ......................................................................................................... 26

整数寄存器-立即数指令................................................................................................ 26

整数寄存器-寄存器操作................................................................................................ 28

4.3 Load 和 Store 指令 ................................................................................................. 28

4.4 系统指令 ................................................................................................................. 29

第 5 章整数乘法除法的“M”标准扩展，版本 2.0 ....................................................... 30

5.1 乘法操作 ................................................................................................................. 30

5.2 除法操作 ................................................................................................................. 30

第 6 章原子性指令的“A”标准扩展，版本 2.0 ............................................................. 32

6.1 原子性操作的指定顺序 ......................................................................................... 32

6.2 Load-reserved/store-conditional 指令 .................................................................... 33

6.3 原子性存储器操作 ................................................................................................. 36

第 7 章单精度浮点的“F”标准扩展，版本 2.0 ............................................................. 38

7.1 F 寄存器状态 .......................................................................................................... 38

7.2 浮点控制和状态寄存器 ......................................................................................... 39

7.3 NaN 生成和传递 ..................................................................................................... 40

7.4 非规格化数算术 ..................................................................................................... 41

7.5 单精度 load 和 store 指令...................................................................................... 41

7.6 单精度浮点计算指令 ............................................................................................. 41

7.7 单精度浮点转换和传输指令 ................................................................................. 42

7.8 单精度浮点比较指令 ............................................................................................. 44

7.9 单精度浮点分类指令 ............................................................................................. 44

第 8 章双精度浮点的“D”标准扩展，版本 2.0 ............................................................ 46

8.1 D 寄存器状态 ......................................................................................................... 46

8.2 双精度 load 和 store 指令...................................................................................... 46

8.3 双精度浮点计算指令 ............................................................................................. 47

8.4 双精度浮点转换和传输指令 ................................................................................. 47

8.5 双精度浮点比较指令 ............................................................................................. 49

8.6 双精度浮点分类指令 ............................................................................................. 49

第 9 章 RV32/64G 指令集列表 ........................................................................................... 50

第 10 章扩展 RISC-V ............................................................................................................. 55

10.1 扩展术语 ................................................................................................................. 55

标准 vs. 非标准扩展 .................................................................................................... 55

指令编码空间和前缀 ..................................................................................................... 55

绿地扩展 vs. 棕地扩展 ................................................................................................ 56

标准兼容的全局编码 ..................................................................................................... 57

保证的非标准编码空间 ................................................................................................. 57

10.2 RISC-V 扩展设计理念 ............................................................................................. 57

10.3 在固定 32 位指令格式内的扩展 ........................................................................... 58

可用的 30 位指令编码空间 ........................................................................................... 58

可用的 25 位指令编码空间 ........................................................................................... 58

可用的 22 位指令编码空间 ........................................................................................... 58

其他空间 ......................................................................................................................... 58

10.4 增加对齐的 64 位指令扩展 ................................................................................... 59

10.5 支持 VLIW 编码 ...................................................................................................... 59

定长指令组 ..................................................................................................................... 59

编码长度指令组 ............................................................................................................. 59

固定大小指令束 ............................................................................................................. 59

前缀中“组结束位” ..................................................................................................... 60

第 11 章 ISA 子集命名约定 ................................................................................................... 61

11.1 大小写敏感 ............................................................................................................. 61

11.2 基本整数 ISA ........................................................................................................... 61

11.3 指令扩展名字 ......................................................................................................... 61

11.4 版本号 ..................................................................................................................... 61

11.5 非标准扩展命名 ..................................................................................................... 62

11.6 管理员级指令子集 ................................................................................................. 62

11.7 管理员级扩展 ......................................................................................................... 62

11.8 子集命名约定 ......................................................................................................... 62

第 12 章四精度浮点的“Q”标准扩展，版本 2.0 ............................................................ 64

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内容反馈

幼麒

2019-02-11

好资料，感谢分享！！！！

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