前情提要

昨日總算是克服了我們的簡單目標，最後一塊拼圖就是在前幾天規劃的 rvgc 函式庫。今天就讓我們開始探索 RISC-V 的指令集架構吧！主要的參考來源是 RISC-V 基金會的規格文件。歷史、沿革這些東西對於理解技術在當代科技的地位是非常重要沒有錯，但是這些面向不是本系列的重點，因此予以略過。

給新加入的讀者：筆者是多年來享受電腦系統的方便性的後生晚輩，由於某一天發現自己對於 ELF 的格式如此漠不關心感到汗顏，因此決定以最黑手的方式理解這個已經奮鬥了數十年的規格。

同樣息息相關但我們應該沒有時間觸及的面向是除錯器。如果各位讀者對 debug 相關議題有興趣，這裡是公司夥伴的鐵人賽系列文，歡迎大家去參考參考。

預期目標

RISC-V 的設計哲學是追求硬體簡化，因此指令集非常精簡。同時，又為了顧及軟體的需求，RISC-V 基金會將指令集拆分為模組化的設計，而由每一個英文字母代表模組的意義。比方說，最基本的模組叫做 I 指令集，因為整數處理的指令都在這裡；又，最近剛結束的 RISC-V 第七次 workshop 裡面有研究團隊報告了 H 指令集代表虛擬化平台需使用的 Hypervisor 等指令。

我們這個函式庫名稱取作 rvgc，是為了代表 RISC-V General-Comppression 的縮寫，G 代表通用的部份，涵蓋 IMAFD；C 代表壓縮指令。根據目前社群的共識，雖然標準上說的基本支援指令集是 I，但是事實上如果沒有支援 IMA，幾乎不可能運行作業系統。對於這個系列文要支援到哪裡，筆者打算至多完成 IMA，也就是整數操作、乘法除法、以及原子操作指令集，原因無他，要迴避浮點數很簡單，但是在通用的整數領域裡面，不曉得什麼時候可能會碰到非得要乘除法和原子操作的情況；至於壓縮指令，會讓程式設計的內容複雜化，就暫且不做。

今日會開始介紹 rvgc 的實作，主要參考自最新的 2.2 版規格中的 RV32I、RV64I、M 與 A 等四個章節；至於像是編碼的細節之類的部份，筆者參考第 19 章與第 20 章。等到完成的差不多之後，我們會再回頭用其他稍微複雜的程式來檢驗 as 的實作，必要時也重構一些既有的 as 內容。以下筆者會先介紹 RISC-V 64-bit GC 使用的暫存器，然後會介紹指令型態。預計花三天的時間來講解指令集與函式庫，同時為了提昇 go 語言能力，筆者也考慮引進測試框架來強化這個部份的設計。

暫存器

整數暫存器共有 32 個，寫組語程式時可以用 x0~x31 來代表這些暫存器；因此，在指令的編碼中，一個暫存器會佔去 5 個位元。其中，讀取 x0 總是回傳 0 且寫入無效，算是 RISC （減量指令集 CPU 設計）很通用的一個設定。除了這些編號之外，它們還有一些綽號，是為了彰顯它們的使用方式而命名的別名。以表格列舉如下

指令型態

RV64I 的指令集一律是 32-bit 的長度，但由於編碼上的先進設計，讓 C 指令集可以方便地加入 16-bit 指令，能夠大幅壓縮編譯出來的執行檔大小。設計指令型態時，原始團隊的優先考量是讓硬體在解碼指令的時候能夠越方便越好，因此刻意讓功能相近的區間能夠盡量在同一個區段；比方說所有種類的指令裡面，暫存器最多會用到三個，最少也會用到一個，但它們所佔的空間都相同。這個原則能夠精簡化硬體在處理暫存器編碼時的努力，進而提昇效能。

根據規格書，總共有 4 種指令集型態。為求排版美觀，筆者這裡用純文字格式編排，再以無 markdown 格式輸出。ASCII 表格上方數字是該欄位的上界與下界位元，數字越大表示作為 32-bit 整數越高位（significant）。

R-type

| 31      25 | 24   20 | 19   15 | 14      12 | 11  07 | 06      00 |
+------------+---------+---------+------------+--------+------------+
|   funct7   |   rs2   |   rs1   |   funct3   |   rd   |   opcode   |
+------------+---------+---------+------------+--------+------------+

R 型態指令包含三個暫存器，完全在處理暫存器。暫存器的邏輯運算指令是這一類的大宗。

I-type

| 31                20 | 19   15 | 14      12 | 11  07 | 06      00 |
+----------------------+---------+------------+--------+------------+
|   immediate[11:0]    |   rs1   |   funct3   |   rd   |   opcode   |
+----------------------+---------+------------+--------+------------+

牽涉到一個 12-bit 整數的使用的指令。從記憶體取值即是一例：以 rs1 為基準，12-bit 有號整數 imm 為調整的記憶體位址的內容，會被存入 rd 暫存器中。

S-type

| 31      25 | 24   20 | 19   15 | 14      12 | 11  07 | 06      00 |
+------------+---------+---------+------------+--------+------------+
|  imm[11:5] |   rs2   |   rs1   |   funct3   | i[4:0] |   opcode   |
+------------+---------+---------+------------+--------+------------+

例子：存入值到記憶體：以 rs1 為基準，12-bit 有號整數 imm 為調整的記憶體位址的內容，會被寫入 rs2 的內容。

U-type

| 31                                       12 | 11  07 | 06      00 |
+---------------------------------------------+--------+------------+
|             immediate[31:12]                |   rd   |   opcode   |
+---------------------------------------------+--------+------------+

這個指令需要動到 rd 暫存器中高達 20-bit 的內容。有兩個主要的指令使用這個格式，它們是 lui 指令，代表將 rd 暫存器的 [31:12] 取代為指令中的整數；另一個是 auipc，將 rd 取代為 pc 暫存器加上這個整數部份，常用於函數呼叫。

小結

今日我們開始介紹 RISC-V 指令集了，相較於標題中的酷炫關鍵詞 go、binutils，它是最慢登場的。本日的介紹應該讓各位讀者基本地認識了 RISC-V 指令集架構才是，甚至也可能讓各位想起了計算機結構裡面的 MIPS，他們的確有相當的淵源。RISC-V 正在緩慢崛起的此時，各位除了觀望之外，希望筆者以及夥伴的的相關系列文能夠讓各位有種見證歷史的感覺，如果真的能學到東西那就更棒了。無論如何，我們明日再會！