深入RISC-V架构

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RISC-V模块化指令集简介​        RISC-V 的指令集使用模块化的方式进行组织，每一个模块使用一个英文字母来表示。
​        RISC-V 最基本也是唯一强制要求实现的指令集部分是由 I 字母表示的基本整数指令子集。使用该整数指令子集，便能够实现完整的软件编译器。其他的指令子集部分均为可选的模块，具有代表性的模块包括 M/A/F/D/C/P。

​        此外“IMAFD”，也被称为“通用”组合，用英文字母 G 表示。因此 RV32G 表示 RV32IMAFD，同理 RV64G 表示 RV64IMAFD。为了提高代码密度，RISC-V 架构也提供可选的“压缩”指令子集，用英文字母 C 表示。压缩指令的指令编码长度为 16 比特，而普通的非压缩指令的长度为 32 比特。
​        RISC-V的不同寻常之处，除了在于它是最近诞生的和开源的以外，还在于和几乎所有以往的ISA不同，它是模块化的。它的核心是一个名为RV32I的基础ISA，运行一个完整的软件栈。RV32I是固定的，永远不会改变。这为编译器编写者，操作系统开发人员和汇编语言程序员提供了稳定的目标。模块化来源于可选的标准扩展，根据应用程序的需要，硬件可以包含或不包含这些扩展。这种模块化特性使得RISC-V具有了袖珍化、低能耗的特点，而这对于嵌入式应用可能至关重要。RISC-V编译器得知当前硬件包含哪些扩展后，便可以生成当前硬件条件下的最佳代码。惯例是把代表扩展的字母附加到指令集名称之后作为指示。例如，RV32IMFD将乘法（RV32M），单精度浮点（RV32F）和双精度浮点（RV32D）的扩展添加到了基础指令集（RV32I）中。它们仍是可选的，不会像在增量ISA中那样成为未来所有实现的必要组成部分。 计算机体系结构的传统方法是增量ISA，新处理器不仅必须实现新的ISA扩展，还必须实现过去的所有扩展。感兴趣的查找相关资料。
​        即使是指令格式也能从一些方面说明 RISC-V 更简洁的 ISA 设计能提高性能功耗比。首先，指令只有六种格式，并且所有的指令都是 32 位长，这简化了指令解码。用于寄存器-寄存器操作的 R 型指令，用于短立即数和访存 load 操作的I型指令，用于访存 store 操作的S型指令，用于条件跳转操作的B 型指令，用于长立即数的U 型指令和用于无条件跳转的J型指令。 为了进一步减少面积，RISC-V 架构还提供一种“嵌入式”架构，用英文字母 E 表示。该架构主要用于追求极低面积与功耗的深嵌入式场景。该架构仅需要支持 16 个通用整数寄存器，而非嵌入式的普通架构则需要支持 32 个通用整数寄存器。
• 嵌入式架构仅支持 32 位架构，在 64 或 128 位架构中不支持该嵌入式架构。即只有RV32E，而没有 RV64E。
• 在嵌入式架构中推荐使用压缩指令子集（由字母 C 表示），即 RV32EC，以增加嵌入式系统中关注的代码密度。
• 在嵌入式架构中不支持浮点指令子集。如果需要选择支持浮点指令子集（F 或者 D），则必须使用非嵌入式架构（RV32I 而非 RV32E）。
• 嵌入式架构仅支持机器模式（Machine Mode）与用户模式（User Mode），不支持其他的特权模式。
• 嵌入式架构仅支持直接的物理地址管理，而不支持虚拟地址。
​      除了上述模块，还有若干的模块如 L、B、P、V 和 T 等。目前这些扩展大多数还在不断完善和定义中，尚未最终确定，因此不做详细论述。
通用的RV32G 和 RV64G指令集列表

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