1.简述
指令集是协议规范， 大家遵循规范进行设计，不用考虑软件、工具、应用等一系列的问题；设计RISCV处理器就需要仔细且反复阅读RISC-V标准；
RISC-V官方标准主要分为两部分：用户指令集、特权模式；下面进行详细的介绍：
2.RV特权模式
根据不同的应用场景和需求，同一指令集根据不用特权模式在设计上采取不同的策略；为了加强对操作系统和信息安全的支持，定义三种模式，每一钟模式对应一个特权层级，机器模式层级最高，普通用户模式层级最低，层级越高软件可操作的权限就越高；类似在linux系统，一般在普通用户权限下操作，如果需要安装依赖库或者在根目录下操作等，就需要进入超级用户，也就是root，获得更高的权限（当然可直接用sudo），这是一种保护措施，以防用户误操作导致系统损坏；
在处理器设计时，机器模式是必须要实现的，其他两个模式根据需求加以实现，我们目标是简易的MCU，因此也只需要实现机器模式即可；
3.RV指令集分类
如图所示，指令集分为基础指令集和扩展指令集；又根据处理器位数不同，分为32位、64位以及128位，其中32位指令集（RV32I）为了进一步支持嵌入式又制定嵌入式指令集（RV32E），将32个32位的通用寄存器砍掉一半，即只有16个32位的通用寄存器，其他保持不变；
“I” 基本整数集，其中包含整数的基本计算、Load/Store和控制流，所有的硬件实现都必须包含这一部分。
“C”压缩指令扩展，将某些指令进行压缩，提高代码密度；
“M” 整数乘除法扩展，增加了整数寄存器中的乘除法指令。
“A” 原子操作扩展，增加对储存器的原子读、写、修改和处理器间的同步。
“F” 单精度浮点扩展，增加了浮点寄存器、计算指令、L/S指令。
“D” 双精度扩展，扩展双精度浮点寄存器，双精度计算指令、L/S指令。
I+C+M+F+A+D 被缩写为 “G” ，共同组成通用的标量指令。
在后续ISA的版本迭代过程中，RV32G和RV64G总是保持不变。
可以看出扩展指令支持也比较丰富，但不是我们需要实现的内容就不展开了，后期项目升级需要实现时单独拿出来讨论；
4.RV寄存器
RV32I型具有32个32-bit的通用寄存器，具体定义和功能如下：
5.RV32I指令类型
如图，RV32I 6大类指令类型，从这里可以看出Bit域定义是非常规整的，相同的定义总是在同一位置，这样让代码更简洁、实现更加容易；
opcode：操作码，每个指令类型都有只属于自己的编码值，用于区分不同的指令类型；rd:目标寄存器：需要写入的通用寄存器，该Bit域是寄存器的地址；func7、func3：表示指令的功能，同一指令类型中通过这几个bit域来区分具体功能（数字“7”代表是占用7-bit位宽，数字“3”同样）；rs1：源寄存器1，需要读取得通用寄存器，该Bit域是寄存器的地址；rs2：源寄存器2，需要读取得通用寄存器，该Bit域是寄存器的地址；imm：立即数，该Bit域的数值可直接用于计算，是常数；
6.RV32I指令总览
如下，是RV32I所有指令，总共47条，详细功能在后面介绍；；这里印证上面所说的同一类型的指令，操作码一致，而不同的功能通过func3、func7来区分；但是U、J型操作码是有区别的，而且I型中不同功能的指令操作码也是不一致，这些区别后面会详细讨论；
7.RV32I指令介绍
1）U-type
U型为两条指令，主要作用将常数（也叫立即数）计算后直接存入目标寄存器中，由于立即数占了20-bit，没有多余的bit做为func，因此这两条指令的操作码不一致作为区分；
lui指令：将其携带的20位立即数作为32位的高位，低12位置0，然后将结果载入到目标寄存器中；汇编写法：
lui rd, imm
auipc指令：将其携带的20位立即数作为32位的高位，低12位置0，然后与当前的PC值相加，将结果写入目标寄存器中；汇编写法：
auipc rd, imm
2）J-type
J型也只有两条指令，同U型一样，操作码不一致；
jal指令：将其携带的20位立即数做符号扩展，并左移一位，产生32bit的有符号数，然后与PC值相加产生指令存储器的目标地址，跳转至PC±1MB的地址范围；同时将紧随其后的指令的地址存入目标寄存器；汇编写法：
jal rd, offset
jalr指令：将其携带的12位立即数与源寄存器1值相加，并将结果的末尾清零，作为跳转的地址；与jal指令一样，将其后的指令地址存入目标寄存器中；汇编写法：
jalr rd, offset(rs1)
3）B-type
beq：源寄存器1、2值相等，跳转至目标地址；而目标地址由立即数符号扩展，并左移1位与PC值相加产生；汇编写法：beq rs1, rs2, imm
bne：源寄存器1、2值不相等，跳转至目标地址；而目标地址由立即数符号扩展，并左移1位与PC值相加产生；汇编写法：
bne rs1, rs2, imm
blt：源寄存器1小于源寄存器2值，跳转至目标地址；而目标地址由立即数符号扩展，并左移1位与PC值相加产生；汇编写法：
blt rs1, rs2, imm
bge：源寄存器1不小于源寄存器2值，跳转至目标地址；而目标地址由立即数符号扩展，并左移1位与PC值相加产生；汇编写法：
bge rs1, rs2, imm
bltu：源寄存器1小于源寄存器2值，跳转至目标地址；而目标地址由立即数符号扩展，并左移1位与PC值相加产生；汇编写法：
bltu rs1, rs2, imm
bgeu：源寄存器1不小于源寄存器2值，跳转至目标地址；而目标地址由立即数符号扩展，并左移1位与PC值相加产生；汇编写法：
bgeu rs1, rs2, imm
4）I-type
I型主要分成两类功能：操作数据存储器、立即数运算；还有其他但这里先不讨论；
先介绍操作数据存储器指令，即Load指令；
lb：立即数符号扩展后，与源寄存器1相加，作为读取数据的地址，读出该地址的1字节数据，经符号扩展写入到目标寄存器中；汇编写法：
lb rd, offset(rs1)
lh：立即数符号扩展后，与源寄存器1相加，作为读取数据的地址，读出该地址的2字节数据，经符号扩展写入到目标寄存器中；汇编写法：
lh rd, offset(rs1)
lw：立即数符号扩展后，与源寄存器1相加，作为读取数据的地址，读出该地址的4字节数据，经符号扩展写入到目标寄存器中；汇编写法：
lw rd, offset(rs1)
lbu：立即数符号扩展后，与源寄存器1相加，作为读取数据的地址，读出该地址的1字节数据，经0扩展写入到目标寄存器中；汇编写法：
lbu rd, offset(rs1)
lhu：立即数符号扩展后，与源寄存器1相加，作为读取数据的地址，读出该地址的2字节数据，经0扩展写入到目标寄存器中；汇编写法：
lhu rd, offset(rs1)
接下来介绍立即数运算指令：
addi：立即数做符号扩展，与源寄存器1相加（忽略溢出），将结果存入目标寄存器；汇编写法：
addi rd, rs1, imm
slti：立即数做符号扩展，与源寄存器1做比较：条件成立目标寄存器置1，否则置0；汇编写法：
slti rd, rs1, imm
sltiu：立即数做符号扩展，与源寄存器1做比较：条件成立目标寄存器置1，否则置0；汇编写法：
sltiu rd, rs1, imm
xori：立即数做符号扩展，与源寄存器1相异或，将结果存入目标寄存器；汇编写法：
xori rd, rs1, imm
ori：立即数做符号扩展，与源寄存器1相或，将结果存入目标寄存器；汇编写法：
ori rd, rs1, imm
ani：立即数做符号扩展，与源寄存器相与，将结果存入目标寄存器；汇编写法：
ani rd, rs1, imm
slli：将源寄存器1值左移shamt位，空位填0，结果写入目标寄存器；shamt[5]为0有效；汇编写法：
slli rd, rs1, shamt
srli ：将源寄存器1值右移shamt位，空位填0，结果写入目标寄存器；shamt[5]为0有效；汇编写法：
srli rd, rs1, shamt
srai：将源寄存器1值循环右移shamt位，结果写入目标寄存器；shamt[5]为0有效；汇编写法：
srai rd, rs1, shamt
5）S-type
sb：立即数符号扩展后，与源寄存器1相加作为数据存储器的地址，将源寄存器2的最低字节存入；汇编写法：sb rs2, offset(rs1)
sh：立即数符号扩展后，与源寄存器1相加作为数据存储器的地址，将源寄存器2的最低2个字节存入；汇编写法：
sh rs2, offset(rs1)
sw：立即数符号扩展后，与源寄存器1相加作为数据存储器的地址，将源寄存器2的整字存入；汇编写法：
sw rs2, offset(rs1)
6）R-type
add：源寄存器1、2相加（忽略溢出），结果将被写入目标寄存器中；汇编写法：add rd, rs1, rs2
sub：源寄存器1 - 源寄存器2（忽略溢出），结果将被写入目标寄存器中；汇编写法：
sub rd, rs1, rs2
sll：源寄存器1值左移源寄存器2[4:0]位，空位补0，结果写入目标寄存器；汇编写法：
sll rd, rs1, rs2
slt：有符号比较源寄存器1、2值，源寄存器1小，目标寄存器写1，否则写0；汇编写法：
slt rd, rs1, rs2
sltu：无符号比较源寄存器1、2值，源寄存器1小，目标寄存器写1，否则写0；汇编写法：
sltu rd, rs1, rs2
xor：源寄存器1、2按位异或，结果写入目标寄存器；汇编写法：
xor rd, rs1, rs2
srl：源寄存器1值右移源寄存器2[4:0]位，空位补0，结果写入目标寄存器；汇编写法：
srl rd, rs1, rs2
sra：源寄存器1值循环右移源寄存器2[4:0]位，结果写入目标寄存器；汇编写法：
sra rd, rs1, rs2
or：源寄存器1、2按位或，结果写入目标寄存器；汇编写法：
or rd, rs1, rs2
and：源寄存器1、2按位与，结果写入目标寄存器；汇编写法：
and rd, rs1, rs2
8.RV32I指令集归类
1）算术与逻辑运算指令
如图是算术与逻辑运算指令，I和R两大类型的指令；
我们可以通过操作码来区分是R型还是I型，func3来区分逻辑功能，因此有了如下表，左右两列是各自的func3数字，可以看出，具有相同计算功能的指令func3是一致的，从这里再一次体现了RV指令集的规整；
注意R型中的add和sub指令func3是一样的，这里通过func7来区分；
2）数据载入和存储指令
这些是访问数据存储的指令，分别是读取和写入；
3）跳转指令
RV32只有两种跳转指令，无条件跳转：J型；有条件跳转：B型
9.总结
为了方便理解以及日后的回顾，用了比较通俗的表达方式，并不规范，同时也省略很多细节，最后还是建议大家仔细阅读参考文件中的书籍；
由于CSDN开始限制放置二维码，所以只有搜索芯王国关注我的公众号，公众号中有更多资源和干货，同时加入IC/FPGA，RISCV的交流群；
QQ群号：897532154
我的gitee：传送门
参考文献
【1】《计算机组成与设计-硬件与软件接口》RISC-V版本
【2】《手把手教你设计CPU——RISC-V处理器篇》
【3】《基于FPGA与RISC-V的嵌入式系统设计》
【4】《RISC-V官方手册》
