本文為通過Verliog HDL編寫簡易RISC-V CPU的試驗筆記，如有錯誤敬請指正

一.RISC-V

RISC-V為伯克利研究團(tuán)隊基于精簡指令集計算原理建立的一個開放指令集架構(gòu)。由于其開源、模型化及指令長度固定等特點而被應(yīng)用于學(xué)習(xí)及嵌入式領(lǐng)域當(dāng)中。

詳見：什么是RISC-V-知乎(https://zhuanlan.zhihu.com/p/49176102)

二.RISC-V指令

作為大型開源項目，RISC-V的官方技術(shù)文檔可于Github上搜索得到并下載。此外，CSDN及知乎上亦有相關(guān)指令集介紹與表格可供參考，因此本文僅對RISC-V的指令架構(gòu)作簡略描述。

RISC-V指令結(jié)構(gòu)

RISC-V指令包含數(shù)個主要結(jié)構(gòu)，分別為訪問寄存器的R-Type，使指指令中立即數(shù)進(jìn)行操作的I-Type，儲存至內(nèi)存中的S-Type，判斷分支執(zhí)行的B-Type，執(zhí)行跳轉(zhuǎn)的J-Type，以及包含20位立即數(shù)的U-Type。

對于下方圖表，opcode為指令操作碼，rs1與rs2均為源寄存器地址，rd為目標(biāo)寄存器地址，funct3及funct7為操作指令，imm為立即數(shù)，即計算機(jī)對該數(shù)據(jù)進(jìn)行簡易操作（擴(kuò)展）后直接傳遞至計算單元進(jìn)行運算的數(shù)據(jù)，其特點為數(shù)據(jù)被保存至指令中而無需訪問寄存器。下表中imm[ ]表示數(shù)據(jù)的長度為位二進(jìn)制編碼，其順序按高至低位排列，如11-0，20-0。

RV32指令集的指令位寬及數(shù)據(jù)位寛均為32位，寄存器地址長度為5位，最多可支持個寄存器，此外，由于指令不支持直接寫入結(jié)果至內(nèi)存，該指令集對寄存器的操作頻率將較其他指令集高。

RV32I 基礎(chǔ)整數(shù)指令集

RV32I Base Integer Instructions ( 32位基礎(chǔ)整數(shù)指令集 )

RV32I主要包含37條運行指令與2條系統(tǒng)指令。相應(yīng)的指令表格可通過RSIC-V Reference Card或RISC官方技朮文檔得到。

詳見：

RISC-V Reference Card - Github

(https://github.com/jameslzhu/riscv-card)

RISC-V Instruction Set Manual - RISC-V International

(https://riscv.org/technical/specifications/)

寄存器的數(shù)學(xué)/邏輯運算指令

按R-Type結(jié)構(gòu)進(jìn)行編碼，其指令操作碼均為七位二進(jìn)位數(shù)的(0110011)，按funct3判斷數(shù)據(jù)的運算類型。

以算朮加法ADD為例，其funct3為三位二進(jìn)制的000，操作內(nèi)容為從地址rs1及rs2對應(yīng)的32位寄存器中取數(shù)據(jù)后通過算朮單元進(jìn)行算朮加法，隨后輸出計算結(jié)果并儲存至rd地址所對應(yīng)的32位寄存器中。完成此流程則認(rèn)為該指令執(zhí)行完結(jié)。

下式為ADD指令的一個例子，該指令的rd為，rs1為，rs2為，funct3為，funct7為。

附注：

SUB（算朮減法）指令與ADD共用一個funct3值，需通過funct7進(jìn)行判別。

SRA（循環(huán)右移）指令與SRL共用一個funct3值，需通過funct7進(jìn)行判別。

SRA（循環(huán)右移）指令將數(shù)據(jù)的最右位循環(huán)至數(shù)據(jù)的的最高位。

SLT指令視數(shù)據(jù)為符號數(shù)進(jìn)行比較，SLTU指令則視數(shù)據(jù)為無符號數(shù)進(jìn)行比較。

立即數(shù)的數(shù)學(xué)/邏輯運算指令

按I-Type結(jié)構(gòu)進(jìn)行編碼，其指令操作碼均為七位二進(jìn)位數(shù)的(0010011)，按funct3判斷數(shù)據(jù)的運算類型。

以算朮加法ADDI為例，其funct3為三位二進(jìn)制的000，執(zhí)行步驟為從地址rs1對應(yīng)的32位寄存器中取數(shù)據(jù)，同時擴(kuò)展立即數(shù)至32位數(shù)值，隨后通過算朮單元進(jìn)行算朮加法，完成后輸出計算結(jié)果儲存至地址rd所對應(yīng)的32位寄存器中。完成此流程則認(rèn)為該指令執(zhí)行完結(jié)。

下式為ADDI指令的一個例子，對應(yīng)的rd為，rs1為，funct3為。

附注：

一. 符號擴(kuò)展：

立即數(shù)指令默認(rèn)進(jìn)行符號擴(kuò)展。視所有立即數(shù)通過補碼形式儲存。若立即數(shù)最高位為１，則擴(kuò)展時對其高20位補1。否則對高20位補0。

32位立即數(shù)擴(kuò)展后的結(jié)構(gòu)為imm[31:0] = { imm[31:12], imm[11:0] }

二. 零擴(kuò)展：

無論立即數(shù)的高位為何，其高位皆補零。

內(nèi)存讀取指令

按I-Type結(jié)構(gòu)進(jìn)行編碼，其指令操作碼均為七位二進(jìn)位數(shù)的(0000011)，按funct3判斷數(shù)據(jù)的儲存方式。

以字加載LW為例，其funct3為三位二進(jìn)制的010，該指令先從地址rs1中取數(shù)據(jù)，與符號擴(kuò)展的12位立即數(shù)進(jìn)行符號算朮加法，并輸出計算結(jié)果至32位地址總線，內(nèi)存則通過地址總線上的值讀出數(shù)據(jù)。并寫入該數(shù)據(jù)至地址rd對應(yīng)的寄存器。

下式為LW指令的一個例子，其以rs1寄存器的值為基點偏移()后的內(nèi)存位置讀出一個字至rd寄存器中。

附注：?

假設(shè)rs1中的值為32，則訪問的內(nèi)存位置為(32+(-24)) = 8，即rd = M[8][31:0]

上述表格未表示M的內(nèi)存地址，完整的描述為M[rs1+imm][31:0]

內(nèi)存儲存指令

按S-Type結(jié)構(gòu)進(jìn)行編碼，其指令操作碼均為七位二進(jìn)位數(shù)的(0100011)，按funct3判斷數(shù)據(jù)的儲存方式。

以字加載SW為例，其funct3為三位二進(jìn)制的010，該指令先從rs1中取數(shù)據(jù)，與符號擴(kuò)展的12位立即數(shù)進(jìn)行符號算朮加法，并輸出計算結(jié)果至32位地址總線，指令同時取出rs2的值輸出至數(shù)據(jù)總線。內(nèi)存則通過地址總線及數(shù)據(jù)總線上的值。寫入該數(shù)據(jù)至地址對應(yīng)的區(qū)域。

下式為SW指令的一個例子，該指令將rs2的值寫入以rs1為基點偏移()后的內(nèi)存位置。

程序計數(shù)器的分支跳轉(zhuǎn)

按B-Type結(jié)構(gòu)進(jìn)行編碼，其指令操作碼均為七位二進(jìn)位數(shù)的(1100011)，按funct3實施不同的跳轉(zhuǎn)策略。

以大于跳轉(zhuǎn)BGE為例，其funct3為三位二進(jìn)制的101，該指令先從rs1與rs2中取數(shù)據(jù)，并判斷rs1是否大等于于rs2，若真則修改PC的值為。若否則使PC = PC + 4。

下式為BGE指令的一個例子，若rs1值大于等于rs2，則PC跳轉(zhuǎn)至

附注：

BLTU及BGEU對立即數(shù)進(jìn)行零擴(kuò)展而非符號擴(kuò)展。

程序計數(shù)器( Program Counter ) - 百度百科(https://baike.baidu.com/item/%E7%A8%8B%E5%BA%8F%E8%AE%A1%E6%95%B0%E5%99%A8/3219536)

其他指令

由于所有RV32I指令均已在上表中給出，故其他指令不作描述。

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