基于RISC-V指令集的CPU设计和FPGA实现（二）

RISC-V 指令集分析

其实接下来的指令介绍我刚开始不太确定要不要写，因为对于 CPU 设计和实现而言略有拖沓，但是熟练掌握指令格式还是对写 CPU 有帮助的。接下来的部分假如学过 RISC-V 指令集的可以跳过，并且也只是简单介绍下指令的特点和作用，并不会细讲，建议拿 RISC-V 指令集尝试实现一下 C 语言程序。（或者体会我们将一百多行 C 编译出来的机器码和汇编码做手动解释的痛苦，不过我当时是用 Java 程序自动完成的，得亏 RISC-V 指令集还算工整）

RISC-V指令为32位等长指令（不考虑其他短指令），其指令分为 R、I、S、B（SB）、U、J（UJ）型，结构较为工整。

 

 

• rs1 操作寄存器 1，一般是从中取出数据

• rs2 操作寄存器 2，一般是从中取出数据

• opecode 指令代码，用来代表是哪种指令（一般是大的类型，如 R、I、S、B、U、J型）

• funct7 、 funct3 主要用来表明指令的具体功能（一般是小的类型，如有无符号）

• rd 目的寄存器，一般是要写入的寄存器

• imm 立即数，后面的类似数组的调用即为类似数组的调用 : )，不过要注意的是有一部分类型（B，J型指令的立即数空了一位）

 

 

分析各个指令（详见RISC-V的指令说明书），易知 opecode 能够分辨指令的类型和部分同类型指令，同类型指令主要靠 funct3 和 funct7 分辨其操作不同。比如对于有符号操作和无符号操作，其差别仅为 funct7 的一位区别。

但是在实际写代码的时候是否要用这些特点就不好说了，一方面是用了之后可读性下降，而且判断不全面也会出现指令误判的可能，另一方面是用了是否能提升性能有待商榷，毕竟Vivado的综合能力还是蛮强的。

注意：

• 对于立即数扩展，还需要注意部分指令的位数有略去低位的现象。比如对于 J 型指令，略去最低一位是因为 RISC-V 指令集的指令都是 16 位往上的，按字节寻址的时候并不需要考虑最低一位，这样可以节省空间表示更大的范围。

• 对于寄存器 x0（alias: zero），它的值恒为 0，即使你对它执行写入操作。

这里不会对RISC-V指令做过多的介绍，对于更多的指令细节，可以查看网站 RISC-V Instruction Set Specifications — riscv-isa-pages documentation (msyksphinz-self.github.io)

R 型指令

	31 - 25	24 - 20	19 - 15	14 - 12	11 - 7	6 - 0
含义	funct7	rs2	rs1	funct3	rd	opecode

对于 R 型指令而言，基本上是用来进行 寄存器操作 的。举个栗子：

add 指令，指令格式：add x2, x0, x1，就是将 x0 和 x1 的寄存器内容相加，然后写入寄存器 x2 中

在上面的载入指令栗子中，x2 为 rd ，x0 为 rs1 ，x1 为 rs2

I 型指令

	31 - 20	19 - 15	14 - 12	11 - 7	6 - 0
含义	imm[11: 0]	rs1	funct3	rd	opecode

对于 I 型指令，一般是用来进行 立即数和寄存器操作 的。举个栗子：

• addi 指令，指令格式：addi x2, x0, 20，就是将 x0 的寄存器内容和立即数 20 相加，然后写入寄存器 x2 中

  在上面的栗子中，x2 为 rd ，x0 为 rs1 ，20 为 imm

• 还有载入指令的指令格式略为特殊

  lw 指令，指令格式 lw x2, 20(x1) ，首先，x1 寄存器内存放的数据作为一个地址（主存地址或者外设地址 [ 假如统一编址的话 ] ），那 20(x1) 就意味着将 20 + num[x1] 作为取出数据的地址，然后将这个数据存入到 x2 里面。

  在上面的载入指令栗子中，x2 为 rd ，x1 为 rs1 ，20 为 imm。

• 还有 jalr 指令（无条件跳转），指令格式 jalr x2, 20(x1) ，跟载入指令相同，将 20 + num[x1] 作为要跳转的地址，然后将 PC + 4 存入 x2 寄存器里面

  在上面的跳转指令栗子中，x2 为 rd ，x1 为 rs1 ，20 为 imm

S 型指令

	31 - 25	24 - 20	19 - 15	14 - 12	11 - 7	6 - 0
含义	imm[11: 5]	rs2	rs1	funct3	imm[4: 0]	opecode

对于 S 型指令，一般是用来进行 存储操作 的。举个栗子：

sw 指令，指令格式：sw x2, 20(x1)。首先，x1 寄存器内存放的数据作为一个地址（主存地址或者外设地址 [ 假如统一编址的话 ] ），那 20(x1) 就意味着将 20 + num[x1] 作为存储数据的地址，然后将寄存器 x2 的内容存放在那里。

在上面的栗子中，x2 为 rs2 ，x1 为 rs1 ，20 为 imm。

这时候可能有眼尖的同学发现了，为啥存储指令跟加载指令不搁一块儿捏。因为加载指令有目的寄存器rd（要写入数据的寄存器），结构跟 I 型很像，就归为 I 型了。但是存储指令，它不用写入寄存器呀，同时，它除了要地址rs1，它还要数据 rs2 呀，所以是这样子滴。

B 型指令

	31 - 25	24 - 20	19 - 15	14 - 12	11 - 7	6 - 0
含义	imm[12 | 10: 5]	rs2	rs1	funct3	imm[4: 1| 11]	opecode

对于 B 型指令，一般是用来进行 条件跳转 的。举个例子：

bge 指令，指令格式：bge x1, x2, Label，这里的 Label，本质上是一个立即数，只是写汇编代码的时候我们可以用类似 C 语言的写法写成一个标记，编译器会自动将其转化为指令地址（立即数）

 if (x1 > x2)
     PC = Label;
 else 
     PC = PC + 4;

U 型指令

	31 - 12	11 - 7	6 - 0
含义	imm[31: 12]	rd	opecode

对于 U 型指令，一般用于加载长立即数，举个栗子：

lui 指令，指令格式 lui x1, 0xFFFFF，就是将 0xFFFFF 这 20 位，载入到 x1 寄存器中，当然会覆盖掉原值，这时候 x1 寄存器为 0xFFFFF000 [32 位]

可能有眼尖的同学发现了，要它干嘛捏。

其实，你会发现 I 型指令只能操作 12 位立即数，但是我的寄存器有 32 位呀，这不糟践了吗，要是弄个数老得做个加法然后做个移位，多大罪过捏。

比如我要弄一个 32 位立即数 0xFEDCBA98，那只需要这样写：

 lui     x1, 0xFEDCC
 addi    x1, x1, -1384       # 0x568

可能有脑子尖的同学发现了，怎么这数那么别扭捏，不是 0xFEDCB 咩，怎么就变成这副模样了。

因为，对于 I 型指令而言，它的立即数是有符号的，你要加上一个十二位的数字，第十二位就是符号位，所以是个负数，需要用补码转换得到。同时由于是负数，所以高位会减 1，因此要是 0xFEDCC 减 1 才能是 0xFEDCB

J 型指令

	31 - 12	11 - 7	6 - 0
含义	imm[20 | 10: 1 | 11 | 19: 12]	rd	opecode

对于 J 型指令，一般用于无条件跳转，举个栗子：

jal 指令，指令格式： jal x2, Label，这里的 Label 跟 B 型指令含义相同，但是到二进制码会略去最低位（当然汇编的数字是正常写的，编译器会帮你处理） ，将 Label 作为要跳转的地址，然后将 PC + 4 存入 x2 寄存器里面

在上面的跳转指令栗子中，x2 为 rd ，Label 为 imm

好了，基础知识就讲那么多，下一篇就要开始单周期CPU设计和实现了