3.2　RISC-V指令编码格式

RISC-V每条指令的宽度为32位（不考虑压缩扩展指令），包括RV32指令集以及RV64指令集。指令编码格式大致可分成如下6类。

● R类型：寄存器与寄存器算术指令。

● I类型：寄存器与立即数算术指令或者加载指令。

● S类型：存储指令。

● B类型：条件跳转指令。

● U类型：长立即数操作指令。

● J类型：无条件跳转指令。

RISC-V指令集编码格式如图3.1所示。

图3.1　RISC-V指令集编码格式

指令编码可以分成如下几个部分。

● opcode（操作码）字段：位于指令编码Bit[6:0]，用于指令的分类。

● funct3和funct7（功能码）字段：常常与opcode字段结合在一起使用，用来定义指令的操作功能。

● rd字段：表示目标寄存器的编号，位于指令编码的Bit[11:7]。

● rs1字段：表示第一源操作寄存器的编号，位于指令编码的Bit[19:15]。

● rs2字段：表示第二源操作寄存器的编号，位于指令编码的Bit[24:20]。

● imm：表示立即数。RISC-V中使用的立即数大部分是符号扩展（sign-extended）的立即数。

RV64指令集支持64位宽的数据和地址寻址，为什么指令的编码宽度却只有32位[1]？

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[1]RISC-V通常使用32位定长指令，不过为了减少代码量，也支持16位的压缩扩展指令。

因为RV64指令集是基于寄存器加载和存储的体系结构设计，所以所有的数据加载、存储以及处理都是在通用寄存器中完成的。RISC-V一共有32个通用寄存器（通用寄存器都是64位宽的，可以处理64位宽的数据），即x0～x31，其中，x0寄存器的编号为0，以此类推。因此，指令编码使用5位宽（25 = 32），即索引32个通用寄存器。

对于精简指令集来说，大部分运算指令最多采用3个寄存器来表示，例如加法指令add rd, rs1, rs2，那么在指令编码中只需要15个位宽就可以索引3个通用寄存器，剩余的位宽可用于指令分类等。因此32位宽的指令编码已经绰绰有余，使用32位宽指令编码比使用64位宽指令编码更有利于提高指令密度，减小代码尺寸，从而提高指令高速缓存的命中率，提升程序执行效率。

加载和存储指令通常采用12位立即数加上2个通用寄存器的方式来表示，下面以lw加载指令为例说明其指令编码的布局，如图3.2所示。

图3.2　lw加载指令的编码

● 第0～6位为opcode字段，用于指令的分类。

● 第7～11位为rd字段，用来描述目标寄存器rd的编号，可以从x0～x31通用寄存器中选择。

● 第12～14位为功能码字段，在加载指令中表示加载数据的位宽。

● 第15～19位为基地址rs1，可以从x0～x31通用寄存器中选择。

● 第20～31位为offset字段，表示偏移量。

RV64指令集中常用的符号说明如下。

● rd：表示目标寄存器的编号，可以从x0～x31通用寄存器中选择。

● rs1：表示源寄存器1的编号，可以从x0～x31通用寄存器中选择。

● rs2：表示源寄存器2的编号，可以从x0～x31通用寄存器中选择。

● ()：通常用来表示寻址模式，例如，(a0)表示以a0寄存器的值为基地址进行寻址。这个前面还可以加offset，表示偏移量，可以是正数或负数。例如，8(a0)表示以a0寄存器的值为基地址，偏移8字节进行寻址。

● { }：表示可选项。

● imm：表示有符号立即数。