3.2　RISC-V指令編碼格式

RISC-V每條指令的寬度為32位（不考慮壓縮擴展指令），包括RV32指令集以及RV64指令集。指令編碼格式大致可分成如下6類。

● R類型：寄存器與寄存器算術指令。

● I類型：寄存器與立即數算術指令或者加載指令。

● S類型：存儲指令。

● B類型：條件跳轉指令。

● U類型：長立即數操作指令。

● J類型：無條件跳轉指令。

RISC-V指令集編碼格式如圖3.1所示。

圖3.1　RISC-V指令集編碼格式

指令編碼可以分成如下幾個部分。

● opcode（操作碼）字段：位于指令編碼Bit[6:0]，用于指令的分類。

● funct3和funct7（功能碼）字段：常常與opcode字段結合在一起使用，用來定義指令的操作功能。

● rd字段：表示目標寄存器的編號，位于指令編碼的Bit[11:7]。

● rs1字段：表示第一源操作寄存器的編號，位于指令編碼的Bit[19:15]。

● rs2字段：表示第二源操作寄存器的編號，位于指令編碼的Bit[24:20]。

● imm：表示立即數。RISC-V中使用的立即數大部分是符號擴展（sign-extended）的立即數。

RV64指令集支持64位寬的數據和地址尋址，為什么指令的編碼寬度卻只有32位[1]？

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[1]RISC-V通常使用32位定長指令，不過為了減少代碼量，也支持16位的壓縮擴展指令。

因為RV64指令集是基于寄存器加載和存儲的體系結構設計，所以所有的數據加載、存儲以及處理都是在通用寄存器中完成的。RISC-V一共有32個通用寄存器（通用寄存器都是64位寬的，可以處理64位寬的數據），即x0～x31，其中，x0寄存器的編號為0，以此類推。因此，指令編碼使用5位寬（25 = 32），即索引32個通用寄存器。

對于精簡指令集來說，大部分運算指令最多采用3個寄存器來表示，例如加法指令add rd, rs1, rs2，那么在指令編碼中只需要15個位寬就可以索引3個通用寄存器，剩余的位寬可用于指令分類等。因此32位寬的指令編碼已經綽綽有余，使用32位寬指令編碼比使用64位寬指令編碼更有利于提高指令密度，減小代碼尺寸，從而提高指令高速緩存的命中率，提升程序執行效率。

加載和存儲指令通常采用12位立即數加上2個通用寄存器的方式來表示，下面以lw加載指令為例說明其指令編碼的布局，如圖3.2所示。

圖3.2　lw加載指令的編碼

● 第0～6位為opcode字段，用于指令的分類。

● 第7～11位為rd字段，用來描述目標寄存器rd的編號，可以從x0～x31通用寄存器中選擇。

● 第12～14位為功能碼字段，在加載指令中表示加載數據的位寬。

● 第15～19位為基地址rs1，可以從x0～x31通用寄存器中選擇。

● 第20～31位為offset字段，表示偏移量。

RV64指令集中常用的符號說明如下。

● rd：表示目標寄存器的編號，可以從x0～x31通用寄存器中選擇。

● rs1：表示源寄存器1的編號，可以從x0～x31通用寄存器中選擇。

● rs2：表示源寄存器2的編號，可以從x0～x31通用寄存器中選擇。

● ()：通常用來表示尋址模式，例如，(a0)表示以a0寄存器的值為基地址進行尋址。這個前面還可以加offset，表示偏移量，可以是正數或負數。例如，8(a0)表示以a0寄存器的值為基地址，偏移8字節進行尋址。

● { }：表示可選項。

● imm：表示有符號立即數。