初识risc-v

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1. 模块化的指令集

risc-v指令集采用模块化的方式进行组织设计，由基本指令集和扩展指令集组成，每个模块用一个英文字母表示。

其中，整数（Integer）指令集用字母“I”表示，这是RISC-V处理器最基本也是唯一强制要求实现的指令集。

其他指令集均为可选模块，可自行选择是否支持。

risc-v指令模块描述如下：

类型	指令集	指令数	状态	描述
基本指令集	RV32I	47	批准	32位地址与整数指令支持32个通用寄存器
	RV32E	47	草稿	RV32I的子集支持16个通用寄存器
	RV64I	59	批准	64位地址与整数指令集及部分32位整数指令支持32个通用寄存器
	RV128I	71	草稿	128位地址与整数指令集及部分64位和32位整数指令支持32个通用寄存器
扩展指令集	M	8	批准	乘法（Multiplication）与除法指令
	A	11	批准	存储器原子（Automic）操作指令
	F	26	批准	单精度（32bit）浮点（Float）运算指令
	D	26	批准	双精度（64bit）浮点（Double）运算指令
	C	46	批准	压缩（Compressed）指令，指令长度位16bit
	Zicsr	6	批准	控制和状态寄存器访问指令

以上指令集描述基于20191213版非特权指令集规范手册，最新指令模块说明参考官网指令集规范手册

通常把模块“I”、“M”、“A”、“F”和“D”的特定组合“IMAFD”称为通用组合（General），用字母“G”表示。如用RV32G表示RV32IMAFD。

RV32I支持32个通用寄存器x0~x31，每个寄存器长度均为32位，其中寄存器x0恒为0，剩余31个为任意读/写的通用寄存器。

为了增加汇编程序的阅读性，汇编编程时通常采用应用程序二进制接口协议（Application Binary Interface，ABI）定义的寄存器名称。

RV32I通用寄存器如下：

寄存器名称	ABI名称	说明	存储者
x0	zero	读取时总为0，写入时不起任何效果	N/A
x1	ra	程序返回地址	Caller
x2	sp	栈空间指针	callee
x3	gp	全局变量指针（基地址）	/
x4	tp	线程变量指针（基地址）	/
x5 ~ x7	t0 ~ t2	临时寄存器	Caller
x8	s0/fp	保存寄存器/帧指针（配合栈指针界定函数栈）	Callee
x9	s1	保存寄存器（被调用函数使用时需备份并在退出时恢复）	Callee
x10, x11	a0, a1	函数参数寄存器（用于函数参数/返回值）	Caller
x12 ~ x17	a2 ~ a7	函数参数寄存器（用于函数参数）	Caller
x18 ~ x27	s2 ~ s11	保存寄存器（被调用函数使用时需备份并在退出时恢复）	Callee
x28 ~ x31	t3 ~ t6	临时寄存器	Caller

caller_callee

此外，risc-v还定义了一组控制和状态寄存器（Control and Status Registers，CSR），用于记录内核运行状态。

risc-v规定如下四个特权级别（privilege level）：

等级（Level）	编码（Encoding）	名称（Name）	缩写（Abbreviation）
0	00	用户/应用模式（User/Application）	U
1	01	管理员模式（Supervisor ）	S
2	10	Reserved	-
3	11	机器模式（Machine）	M

机器模式（M），risc-v处理器在复位后自动进入机器模式（M），因此，机器模式是所有RISC-V处理器唯一必须要实现的特权模式。此模式下运行的程序权限最高，支持处理器的所有指令，可以访问处理器的全部资源。
用户模式（U），该模式是可选的，权限最低。此模型下仅可访问限定的资源。
管理员模式（S），该模式也是可选的，旨在支持Linux、Windows等操作系统。管理员模式可访问的资源比用户模式多，但比机器模式少。

通过不同特权模式的组合，可设计面向不同应用场景的处理器，如：