RISC-V指令精讲（一）：算术指令--加法指令、比较指令

本节来看下RV32I(32位整数指令集)的算数指令，先学习下加减指令(add、sub)，接着了解下数值比较指令(slt),这些指令都有两个版本：一个是立即数版本，一个是寄存器版本

RISCV-V指令格式

RISC-V 机器指令是一种三操作数指令，其对应的汇编语句格式如下：

指令助记符 目标寄存器，源操作数1，源操作数2

例如“add a0，a1，a2”，其中 add 就是指令助记符，表示各种指令，add 是加法指令；a0 是目标寄存器，目标寄存器可以是任何通用寄存器；a1，a2 是源操作数 1 与源操作数 2，源操作数 1 可以是任何通用寄存器，源操作数 2 可以是任何通用寄存器和立即数。立即数就是写指令中的常数，比如 0、1、100、1024 等。

加法指令

一个 CPU 要执行基本的数据处理计算，加减指令是少不了的，否则基础的数学计算和内存寻址操作都完成不了，用这样的 CPU 做出来的计算机将毫无用处。

立即数加减法如何实现

加法指令有两种形式。

• 一种形式是一个寄存器和一个立即数相加，结果写入目标寄存器，我们称之为立即数加法指令。
• 另一种形式是一个寄存器和另一个寄存器相加，结果写入目标寄存器，我们称之为寄存器加法指令。

立即数加法指令，形式如下：

addi rd，rs1，imm
#addi 立即数加法指令
#rd 目标寄存器
#rs1 源寄存器1
#imm 立即数

上述代码 rd、rs1 可以是任何通用寄存器。 imm 立即数可以是** -2048~2047，其完成的操作是将 rs1 寄存器里的值加上立即数，计算得到的数值会写到 rd 寄存器当中，也就是 rd = rs1 + imm**。

先构建一个 main.c 文件，在里面用 C 语言写上 main 函数，想让链接器工作这一步必不可少。接着，我们写一个汇编文件 addi.S，并在里面用汇编写上 addi_ins 函数。

addi_ins 函数的代码如下所示：

addi_ins:
    addi a0，a0，5          #a0 = a0+5，a0是参数，又是返回值，这样计算结果就返回了
    jr ra          #函数返回

C 函数的函数名对应到汇编语言中就是标号，这里加上一条“jr ra”返回指令，就构成了一个 C 语言中的函数。

这里 a0 寄存器里的数值即是 C 语言函数里的第一个参数，也是返回值。所以这个汇编函数完成的功能，就是把传递进来的参数加上 5，再把这个结果作为返回值返回。

在C语言的main函数中调用addi_ins,然后打印一个结果：

#include "stdio.h"
int addi_ins(int x); //声明一下汇编语言中的函数：addi_ins
int main()
{
    int result = 0;
    result = addi_ins(4);    //result = 9 = 4 + 5
    printf("This result is:%d\n", result);
    return 0;
}

运行结果：

上图中是程序刚刚执行完 addi a0，a0，5 指令之后，执行 jr ra 指令之前的状态。可以看到 a0 寄存器中的值已经变成了 9，这说明运算的结果是正确的。

addi_ins 函数返回后，输出的结果如下图所示：

在 addi.S 文件中再写一个函数，也就是 addi_ins2 函数，代码如下所示：

.globl addi_ins2
addi_ins2:
    addi a0，a0，-2048       #a0 = a0-2048，a0是参数，又是返回值，这样计算结果就返回了
    jr ra                   #函数返回

addi_ins2 函数的指令和 addi_ins 函数一样，只不过立即数变成了负数。我们很清楚所谓减法就是加上一个负数，所以通过 addi_ins2 函数就实现了立即数减法指令。

同样地，在 main 函数中调用它，代码如下所示：

#include "stdio.h"
int addi_ins(int x); //声明一下汇编语言中的函数：addi_ins
int addi_ins2(int x); //声明一下汇编语言中的函数：addi_ins2
int main()
{
    int result = 0;
    result = addi_ins(4);    //result = 9 = 4 + 5
    printf("This result is:%d\n", result);
    result = addi_ins2(2048);    //result = 0 = 2048 - 2048
    printf("This result is:%d\n", result);
    return 0;
}

按下“F5”键调试一下，第二个 printf 输出的结果为 0，因为 2048-2048 肯定等于 0。如下所示：



和之前一样，上图中是刚刚执行完 addi a0，a0，-2048 指令之后，执行 jr ra 指令之前的状态。这时 a0 寄存器中的值已经变成了 0，这说明运算的结果正确。

addi_ins2 函数返回后，输出的结果如下图所示：

上图中已经证明了结果符合我们的预期，用 addi 指令完成了立即数的减法计算。这也是 RISC-V 指令集中没有立即数据减法指令的原因。为了保证这一特性，所有的立即数必须总是进行符号扩展，这样就可以用立即数表示负数，所以我们并不需要一个立即数版本的减法指令。

为了进一步搞清楚这条指令的机器码数据，看下 addi_ins 函数和 addi_ins2 函数的二进制数据什么样。

打开工程目录下的 addi.bin 文件，如下所示：



以上是四条指令数据，其中两个 0x00008067 数据为两个函数的返回指令，即：jr ra，0x00550513，它对应的汇编语句 addi a0，a0，5，0x80050513，对应汇编语句 addi a0，a0，-2048。

来详细拆分一下 addi 指令的各位段的数据，看看它是如何编码的。



对照上图，可以看到一条指令数据为 32 位，其中操作码占 7 位，目标寄存器和或者源寄存器各占 5 位。通过 5 位二进制数，正好可以编码 32 个通用寄存器。上图中寄存器编码对应 10，正好是 x10，也即 a0 寄存器，立即数占 12 位。由于 RISC-V 指令总是按有符号数编码，所以立即数只能表示 -2048~2047 的范围。

寄存器版本的加减法如何实现

寄存器版本的加法指令的形式如下：

add rd，rs1，rs2
#add 加法指令
#rd 目标寄存器
#rs1 源寄存器1
#rs2 源寄存器2

类似立即数加法指令，寄存器版本的加法指令也是两个源寄存器相加，结果放在目标寄存器中，代码中 rd、rs1、rs2 可以是任何通用寄存器，计算操作也和前面 addi 指令一样。

通过写代码来做个验证，写一个 addsub.S 文件，并在其中用汇编写上 add_ins 函数 ，如下所示：

add_ins:
    add a0，a0，a1          #a0 = a0+a1，a0、a1是C语言调用者传递的参数，a0是返回值，这样计算结果就返回了
    jr ra                   #函数返回

a0，a1 是 C 语言函数调用的第一、二个参数

用 VSCode 打开工程目录，按下“F5”键调试一下，输出的结果为 2，因为 1+1 的结果肯定等于 2。

上图展示的是执行完 add a0，a0，a1 指令之后，执行 jr ra 指令之前的状态。这时 a0 寄存器中的值确实已经变成了 2，这说明运算的结果正确。

当 add_ins 函数返回后，输出的结果如下图所示：

这个结果证明了 add 指令执行的结果符合我们的预期

在 addsub.S 文件中再写一个函数，也就是 sub_ins 函数，代码如下：

sub_ins:
    sub a0，a0，a1          #a0 = a0-a1，a0、a1是C语言调用者传递的参数，a0是返回值，这样计算结果就返回了
    jr ra                   #函数返回

这段代码就是减法指令，和加法指令的模式一样，除了助记符是 sub，实现的操作是 a0 = a0 - a1。sub 指令后的目标寄存器、源寄存器可以是任何通用寄存器。

F5”键调试一下，其结果应为 1，如下所示：

上图中依然是执行完 sub a0，a0，a1 指令之后，执行 jr ra 指令之前的状态。这时 a0 寄存器中的值确实已经变成 1 了，证明运算结果没问题。

当 sub_ins 函数返回后，就会输出下图所示的结果。

经过调试，sub 指令执行的结果也符合我们的预期了。

继续研究机器编码，来看看 add_ins 函数和 sub_ins 函数的二进制数据。打开工程目录下的 addsub.bin 文件，如下所示：

以上 4 个 32 位数据是四条指令，其中两个 0x00008067 数据是两个函数的返回指令即：jr ra，0x00b50533 为 add a0，a0，a1，0x40b50533 为 sub a0，a0，a1。

来拆分一下 add、sub 指令的各位段的数据，看看它们是如何编码的。如下所示：



从图里可以看到，操作码占了 7 位，目标寄存器和两个源寄存器它们各占 5 位。目标寄存器和源寄存器编码对应 10，正好是 x10，即 a0 寄存器。而源寄存器 2 编码对应 11，正好是 x11 也即是 a1。其它位段为功能编码，add、sub 指令就是用高段的功能码区分的。

比较指令

现在大多数处理器都会包含数据比较指令，用于判断数值大小，以便做进一步的处理。

有无符号立即数版本：slti、sltiu 指令

RISC-V 指令集中有四条比较指令，这四条又分为有无符号立即数版本和有无符号寄存器版本，分别是 slti、sltiu、slt、sltu。

slti、sltiu 指令的形式如下所示：

slti rd，rs1，imm
#slti 有符号立即数比较指令
#rd 目标寄存器
#rs1 源寄存器1（有符号数据）
#imm 有符号立即数(-2048~2047)
sltiu rd，rs1，imm
#sltiu 无符号立即数比较指令
#rd 目标寄存器
#rs1 源寄存器1（无符号数据）
#imm 有符号立即数(-2048~2047)

上述代码中 rd、rs1 可以是任何通用寄存器。有、无符号是指 rs1 寄存器中的数据，有符号立即数 imm 的数值范围是 -2048~2047。

slti、sltiu 完成的操作用伪代码描述如下：

if(rs1 < imm)
    rd = 1;
else
    rd = 0;

下一步又到了写代码验证的环节。建立一个 slti.S 文件，在其中用汇编写上 slti_ins、sltiu_ins 函数，然后写下这两个函数：

.global slti_ins
slti_ins:
    slti a0, a0, -2048      #if(a0<-2048) a0=1 else a0=0，a0是参数，又是返回值，这样计算结果就返回了
    jr ra                   #函数返回

.global sltiu_ins
sltiu_ins:
    sltiu a0，a0，2047      #if(a0<2047) a0=1 else a0=0，a0是参数，又是返回值，这样计算结果就返回了
    jr ra                   #函数返回

slti_ins 与 sltiu_ins 函数分别执行了 slti 和 sltiu 指令，都是拿 a0 寄存器和一个立即数比较，如果 a0 小于立即数就把 1 写入 a0 寄存器。

运行结果：



上图中是执行完 slti a0，a0，-2048 指令之后，执行 jr ra 指令之前的状态。如果看到 a0 寄存器中的值确实已经变成 1 了，就说明运算的结果是正确的。

当 slti_ins 函数返回后，输出的结果如下所示：

因为 -2049 比 -2048 确实要小，所以返回 1，这证明结果是正确的。

sltiu_ins函数调试方法类似

注意：

sltiu 指令的属性，它是无符号的比较指令，也就是说 sltiu 指令看到的数据是无符号的，而** -2048 数据编码为 0xfffff800**，如果把这个数据当成无符号数，则远大于 2047，所以返回 0。

有无符号寄存器版本：slt、sltu 指令

接着来看看 slt、sltu 指令，这是寄存器与寄存器的有无符号比较指令，它们的形式如下所示。

slt rd，rs1，rs2
#slt 有符号比较指令
#rd 目标寄存器
#rs1 源寄存器1（有符号数据）
#rs2 源寄存器2（有符号数据）
sltu rd，rs1，rs2
#sltu 无符号比较指令
#rd 目标寄存器
#rs1 源寄存器1（无符号数据）
#rs2 源寄存器2（无符号数据）

上述代码中 rd、rs1、rs2 可以是任何通用寄存器。有、无符号同样代表 rs1、rs2 寄存器中的数据。

先看看 slt、sltu 这两个指令完成的操作，用伪代码怎么描述：

if(rs1 < rs2)
    rd = 1;
else
    rd = 0;

依然在 slti.S 文件中用汇编写上 slt_ins、sltu_ins 函数 ，如下所示：

.globl slt_ins
slt_ins:
    slt a0, a0, a1          #if(a0<a1) a0=1 else a0=0，a0，a1是参数，a0是返回值，这样计算结果就返回了
    jr ra                   #函数返回

.globl sltu_ins
sltu_ins:
    sltu a0, a0, a1         #if(a0<a1) a0=1 else a0=0，a0，a1是参数，a0是返回值，这样计算结果就返回了
    jr ra                   #函数返回

slt_ins 与 sltu_ins 函数，分别是执行 slt 和 sltu 指令，都是拿 a0 寄存器和 a1 寄存器比较，如果 a0 小于 a1 寄存器，就把 1 写入到 a0 寄存器，否则写入 0 到 a0 寄存器。

VSCode 当中按 F5 调试的效果如下：



上图中是执行完 slt a0，a0，a1 指令之后，执行 jr ra 指令之前的状态。对照截图可以看到，执行指令之后，a0 寄存器中的值确实已经变成 1 了，这说明比较运算的结果是正确的。

当 slt_ins 函数返回后，输出的结果如下：

因为 1 确实小于 2，所以结果返回 1，通过调试表明运算结果是正确的。

sltu_ins 函数的调试我们也如法炮制。

同样，也来拆分一下 slti、sltiu、slt、sltu 指令的各位段的数据，看看它们是如何编码的。



从上图可以发现，立即数版本和寄存器版本的指令格式不一样，操作码也不一样，而它们之间的有无符号是靠功能位段来区分的，而立即数位段和源寄存器与目标寄存器位段，和之前的指令是相同的。

参考：