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RISC-V處理器的設(shè)計與實現(xiàn)（一）—— 基本指令集_Patarw_Li的博客-CSDN博客
RISC-V處理器的設(shè)計與實現(xiàn)（二）—— CPU框架設(shè)計_Patarw_Li的博客-CSDN博客
RISC-V處理器的設(shè)計與實現(xiàn)（三）—— 上板驗證_Patarw_Li的博客-CSDN博客
RISC-V處理器設(shè)計（四）—— Verilog 代碼設(shè)計-CSDN博客?
RISC-V處理器設(shè)計（五）—— 在 RISC-V 處理器上運行 C 程序-CSDN博客?
本人小白一枚，在學(xué)習(xí)FPGA的過程中偶然刷到了tinyriscv這個開源項目，并且自己對計算機體系結(jié)構(gòu)的知識也很感興趣，所以想?yún)⒖歼@個開源項目做一個基于RISC-V指令集的CPU，本項目很多思路和設(shè)計都參考了tinyriscv開源項目。
本人自己做的 riscv-cpu 項目倉庫（如果覺得對你有幫助請一定一定點個 star?。?/strong>：?
riscv-cpu: 一個基于RISC-V指令集的CPU實現(xiàn)（成功移植到野火征途PRO開發(fā)板）
在設(shè)計RISC-V處理器之前，我們首先要做的事就是指令集的選取，指令集是一個CPU的基石，要實現(xiàn)CPU 計算和控制功能，就必須定義好一系列與硬件電路相匹配的指令系統(tǒng)。下面是RISC-V官方給出的指令集架構(gòu)：
因為是第一次做，所以我們選擇簡單一點的32位基本指令集，也就是RV32I 基本指令集（目前增加了RV32M擴展）。
RV32I 基本指令集有6種格式，分別是：
| 目的 | 類型 |
|---|---|
| 用于寄存器-寄存器操作 | R 類型指令 |
| 用于短立即數(shù)和訪存 load 操作 | I 型指令 |
| 用于訪存 store 操作 | S 型指令 |
| 用于條件跳轉(zhuǎn)操作 | SB 類型指令 |
| 用于長立即數(shù) | U 型指令 |
| 用于無條件跳轉(zhuǎn) | UJ 型指令 |
RV32I 基本指令集有47條指令，如下圖：
本項目目前除了 FENCE 指令其他的都已經(jīng)實現(xiàn)，下面介紹了一下這些指令的用法，這里給大家先推薦一個好用的工具叫Ripes，可以到上面運行riscv匯編指令，并且可以把對應(yīng)的指令轉(zhuǎn)成二進制機器碼，方便我們后面的仿真：
Releases · mortbopet/Ripes · GitHub
下面我們開始指令的介紹。
RV32I 基本指令集
1. LUI?
語法：lui rd, imm，作用是將立即數(shù)imm邏輯左移12位，結(jié)果寫入rd寄存器（立即數(shù)是無符號數(shù)）。
我們在ripes運行如下例子來看看結(jié)果：
lui x1,1
lui x2,255如下是運行結(jié)果，可以看到寄存器內(nèi)的數(shù)值都是立即數(shù)左移12位的結(jié)果（16進制）：?
2. AUIPC?
語法：auipc rd, imm，作用是將立即數(shù)imm邏輯左移12位，然后加上當前指令PC的值，結(jié)果寫入rd寄存器（立即數(shù)是無符號數(shù)）。
我們可以通過將立即數(shù)的值設(shè)置為0來計算PC的值：
auipc x1,0
auipc x2,0
auipc x3,0
auipc x4,4運行結(jié)果如下：?
?
3. JAL（無條件跳轉(zhuǎn)指令）
語法：jal rd, imm，作用是將PC的值加上4，結(jié)果寫入rd寄存器，rd默認為x1，同時將PC的值設(shè)置為當前jal指令地址PC加上符號位拓展的imm。?
我們可以通過這個指令來跳到指定的指令執(zhí)行：?
auipc x2,0
auipc x3,0
auipc x4,4
jal x1,-12
?可以看到上述指令會一直循環(huán)執(zhí)行。
4. JALR（無條件跳轉(zhuǎn)指令，寄存器相對尋址）
語法：jalr rd, rs1,imm，作用是將PC的值加上4，結(jié)果寫入rd寄存器，rd默認為x1，同時將當前PC值設(shè)置為寄存器rs1的值加上符號位拓展的imm。
功能和JAL指令一樣，不過計算跳轉(zhuǎn)地址的方式不一樣，JAL指令跳轉(zhuǎn)地址為PC+imm，而JALR指令跳轉(zhuǎn)地址為寄存器rs1內(nèi)容+imm：?
addi x1,x0,8
auipc x2,0
auipc x3,0
auipc x4,4
jalr x5,x1,4因為第4條指令的地址為12，寄存器x1的內(nèi)容8+立即數(shù)4等于12，所以可以看到程序跳轉(zhuǎn)到第四條指令執(zhí)行：
5. BEQ（分支跳轉(zhuǎn)指令，相等時跳轉(zhuǎn)）
語法：beq rs1, rs2, imm，作用是如果rs1的值等于rs2的值，則將PC設(shè)置為符號當前指令beq地址+符號位拓展的立即數(shù)imm。?
addi x1,x0,1
addi x2,x0,2
add x1,x1,x1
beq x1,x2,-4?執(zhí)行結(jié)果如下，可以看到第三條add指令執(zhí)行了兩次：
?
6. BNE（分支跳轉(zhuǎn)指令，不等時跳轉(zhuǎn)）
語法：bne rs1, rs2, imm，作用是如果rs1的值不等于rs2的值，則將PC設(shè)置為符號當前指令bne地址+符號位拓展的立即數(shù)imm。?
addi x1,x0,1
addi x2,x0,8
add x1,x1,x1
bne x1,x2,-4?執(zhí)行結(jié)果如下，可以看到第三條add指令執(zhí)行了三次：
7. BLT（分支跳轉(zhuǎn)指令，小于時跳轉(zhuǎn)）
語法：blt rs1, rs2, imm，作用是如果rs1的值小于rs2的值，則將PC設(shè)置為符號當前指令blt地址+符號位拓展的立即數(shù)imm。
addi x1,x0,1
addi x2,x0,8
add x1,x1,x1
blt x1,x2,-4?執(zhí)行結(jié)果如下，可以看到第三條add指令執(zhí)行了三次：
8. BGE（分支跳轉(zhuǎn)指令，大于等于時跳轉(zhuǎn)）
語法：bge rs1, rs2, imm，作用是如果rs1的值大于或等于rs2的值，則將PC設(shè)置為符號當前指令bge地址+符號位拓展的立即數(shù)imm。
addi x1,x0,10
addi x2,x0,8
addi x1,x1,-1
bge x1,x2,-4執(zhí)行結(jié)果如下，可以看到第三條addi指令執(zhí)行了三次：
9. BLTU（分支跳轉(zhuǎn)指令，無符號數(shù)比較，小于時跳轉(zhuǎn)）
語法：bltu rs1, rs2, imm，作用是如果rs1的值小于rs2的值（rs1和rs2為無符號數(shù)），則將PC設(shè)置為符號當前指令bltu地址+符號位拓展的imm。?
10. BGEU（分支跳轉(zhuǎn)指令，無符號數(shù)比較，大于或等于時跳轉(zhuǎn)）
語法：bgeu rs1, rs2, imm，作用是如果rs1的值大于或等于rs2的值（rs1和rs2為無符號數(shù)），則將PC設(shè)置為符號當前指令bgeu地址+符號位拓展的imm。??
BLTU、BGEU和BLT、BGE的區(qū)別在于一個是無符號數(shù)比較，一個是有符號數(shù)比較。
如下兩個示例，執(zhí)行結(jié)果是不一樣的：
addi x1,x0,-1
addi x2,x0,8
addi x1,x1,-1
bge x1,x2,-4addi x1,x0,-1
addi x2,x0,8
addi x1,x1,-1
bgeu x1,x2,-411. LB（訪存指令，一字節(jié)）
語法：lb rd, imm, rs1，作用是從處讀rs1加上imm的地址取一個字節(jié)的內(nèi)容，并將該內(nèi)容經(jīng)符號位擴展后寫入rd寄存器。
addi x1,x0,-1
lb x3,1,x1
執(zhí)行結(jié)果如下，可以看到memory內(nèi)第一個字節(jié)的數(shù)據(jù)被符號位擴展后送入寄存器x3：
?
12. LH（訪存指令，兩字節(jié)）
語法：lh rd, imm, rs1，作用是從處讀rs1加上imm的地址取兩個字節(jié)的內(nèi)容，并將該內(nèi)容經(jīng)符號位擴展后寫入rd寄存器。
addi x1,x0,0
lh x3,4,x1執(zhí)行結(jié)果如下，可以看到memory內(nèi)地址4的兩個字節(jié)數(shù)據(jù)被符號位拓展后送入x3：
13. LW（訪存指令，四字節(jié)）
語法：lw rd, imm, rs1，作用是從處讀rs1加上imm的地址取四個字節(jié)的內(nèi)容，并將該內(nèi)容寫入rd寄存器（因為四字節(jié)位數(shù)和寄存器位數(shù)相同，所以無需符號位拓展）。
addi x1,x0,0
lw x3,4,x1?執(zhí)行結(jié)果如下，可以看到memory內(nèi)地址4的四個字節(jié)數(shù)據(jù)被送入x3：
?
14. LBU（訪存指令，一字節(jié)，無需符號位拓展）
語法：lbu rd, imm, rs1，作用是從處讀rs1加上imm的地址取一個字節(jié)的內(nèi)容，并將該內(nèi)容經(jīng)高位補0后寫入rd寄存器。
15. LHU（訪存指令，兩字節(jié)，無需符號位拓展）
語法：lhu rd, imm, rs1，作用是從處讀rs1加上imm的地址取兩個字節(jié)的內(nèi)容，并將該內(nèi)容經(jīng)高位補0后寫入rd寄存器。
16. SB（訪存指令，一字節(jié)）
語法：sb rs2, imm, rs1，作用是將rs2的低八位寫入rs1加上imm的地址處。
addi x1,x0,-1
sb x1,0,x0
執(zhí)行結(jié)果如下：?
17. SH（訪存指令，兩字節(jié)）
語法：sh rs2, imm, rs1，作用是將rs2的低16位寫入rs1加上imm的地址處。?
addi x1,x0,-1
sh x1,0,x0執(zhí)行結(jié)果如下：?
?
18. SW（訪存指令，四字節(jié)）?
語法：sw rs2, imm, rs1，作用是將rs2寫入rs1加上imm的地址處。?
addi x1,x0,-1
sw x1,0,x0
19. ADDI
語法：addi rd, rs1, imm，作用是將符號擴展的立即數(shù)imm的值加上rs1的值，結(jié)果寫入rd寄存器，忽略算術(shù)溢出。
addi x1,x0,-1
addi x2,x1,2執(zhí)行結(jié)果如下：?
20. SLTI（小于置1）
語法：slti rd, rs1, imm，作用是將符號擴展的立即數(shù)imm的值與rs1的值比較(有符號數(shù)比較)，如果rs1 < imm，則向rd寄存器寫1，否則寫0。
addi x1,x0,-1
slti x2,x1,2執(zhí)行結(jié)果如下：??
21. SLTIU（小于置1，無符號比較）
語法：sltiu rd, rs1, imm，作用是將符號位拓展的立即數(shù)imm作為作為無符號數(shù)與rs1的值比較(無符號數(shù)比較)，如果rs1 < imm，則向rd寄存器寫1，否則寫0。（一定要將上面的話理解清楚，不然設(shè)計的時候會出問題）
addi x1,x0,-1
sltiu x2,x1,2執(zhí)行結(jié)果如下，可以看到x2結(jié)果變?yōu)榱?：??
22. XORI（異或）
語法：xori rd, rs1, imm，作用是將rs1與符號位擴展的imm按位異或，結(jié)果寫入rd寄存器。
23. ORI
語法：ori rd, rs1, imm，作用是將rs1與符號位擴展的imm按位或，結(jié)果寫入rd寄存器。
24. ANDI
語法：andi rd, rs1, imm，作用是將rs1與符號位擴展的imm按位與，結(jié)果寫入rd寄存器。
25. SLLI（邏輯左移）
語法：slli rd, rs1, shamt，作用是將rs1左移shamt位，空出的位補0，結(jié)果寫入rd寄存器。
26. SRLI（邏輯右移）
語法：srli rd, rs1, shamt，作用是將rs1右移shamt位，空出的位補0，結(jié)果寫入rd寄存器。
27. SRAI（算術(shù)右移）
語法：srai rd, rs1, shamt，作用是將rs1右移shamt位，空出的位用rs1的最高位補充，結(jié)果寫入rd寄存器。
28. ADD
語法：add rd, rs1, rs2，作用是將rs1寄存器的值加上rs2寄存器的值，然后將結(jié)果寫入rd寄存器里，忽略算術(shù)溢出。
29. SUB
語法：sub rd, rs1, rs2，作用是將rs1寄存器的值減去rs2寄存器的值，然后將結(jié)果寫入rd寄存器里，忽略算術(shù)溢出。
30. SLL
語法：sll rd, rs1, rs2，作用是將rs1左移rs2位(低5位有效)，空出的位補0，結(jié)果寫入rd寄存器。
31. SLT
語法：slt rd, rs1, rs2，作用是將rs1的值與rs2的值比較(有符號數(shù)比較)，如果rs1的值更小，則向rd寄存器寫1，否則寫0。
32. SLTU
語法：sltu rd, rs1, rs2，作用是將rs1的值與rs2的值比較(無符號數(shù)比較)，如果rs1的值更小，則向rd寄存器寫1，否則寫0。
33. XOR
語法：xor rd, rs1, rs2，作用是將rs1與rs2按位異或，結(jié)果寫入rd寄存器。
34. SRL
語法：srl rd, rs1, rs2，作用是將rs1右移rs2位(低5位有效)，空出的位補0，結(jié)果寫入rd寄存器。
35. SRA
語法：sra rd, rs1, rs2，作用是將rs1右移rs2位(低5位有效)，空出的位用rs1的最高位補充，結(jié)果寫入rd寄存器。
36. OR
語法：or rd, rs1, rs2，作用是將rs1與rs2按位或，結(jié)果寫入rd寄存器。
37. AND
語法：and rd, rs1, rs2，作用是將rs1與rs2按位與，結(jié)果寫入rd寄存器。
RV32M 擴展指令集
1. MUL
語法：mul rd, rs1, rs2，作用是將rs1與rs2相乘，結(jié)果的低32位寫入rd寄存器。
2. MULH
語法：mulh rd, rs1, rs2，作用是將rs1與rs2相乘，結(jié)果的高32位寫入rd寄存器。
3. MULHSU
語法：mulhsu rd, rs1, rs2，作用是將rs1與rs2相乘，其中rs1為有符號數(shù)，rs2為無符號數(shù)，結(jié)果的高32位寫入rd寄存器。
4. MULHU
語法：mulhu rd, rs1, rs2，作用是將rs1與rs2相乘，其中rs1、rs2均為無符號數(shù)，結(jié)果的高32位寫入rd寄存器。
5. DIV
語法：div rd, rs1, rs2，作用是將rs1與rs2相除，結(jié)果的商寫入rd寄存器。
6. DIVU
語法：divu rd, rs1, rs2，作用是將rs1與rs2相除，其中rs1、rs2均為無符號數(shù)，結(jié)果的商寫入rd寄存器。
7. REM
語法：rem rd, rs1, rs2，作用是將rs1與rs2相除，結(jié)果的余數(shù)寫入rd寄存器。
8. REMU
語法：remu rd, rs1, rs2，作用是將rs1與rs2相除，其中rs1、rs2均為無符號數(shù)，結(jié)果的余數(shù)寫入rd寄存器。
以上就是目前所用到的指令了，之后如果添加新的指令會在這里更新。
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