RISC-V指令系统

一.介绍

指令系统：计算机语言中的单词成为指令，而这个词汇表就是指令系统。

指令集架构（ISA）

        x86：传统pc市场的主流，善于处理大数据。

        ARM：移动端设备（手机）市场，处理快数据为主。

        RISC-V：当需要同时兼顾数据传输速度和传输量时，RISC-V更有优势。

更重要的是RISC-V是开源的。

二.计算机硬件的操作

主要包括：算术运算、逻辑运算、数据传输、移位操作、条件分支、无条件跳转。

数据存储模式：大端存储，小端存储。

大端：高位字节排放在内存的低地址端，低位字节排放在内存的高地址端。

小端：低位字节排放在内存的低地址端，高位字节排放在内存的高地址端。

设计原则：简单源于规整、优秀的设计需要适当的折中、更少则更快（寄存器数量太多可能会增加时钟周期）。

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三.计算机中的指令表示

RISC-V常见指令表示：R型，I型，S型，B型，J型指令

R型：一般用于寄存器-寄存器操作。

I型：一般用于立即数访问和load操作。

S型：用于访存store操作。

B型：用于条件跳转操作。

J型：用于无条件操作。

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R型：一般用于寄存器-寄存器操作。

funct7(7bit)

rs2(5bit)

rs1(5bit)

funct3(3bit)

rd(5bit)

opcode(7bit)

funct7：操作码字段。

funct3：操作码字段。

rs2：第二个源操作数寄存器。

rs1：第一个源操作数寄存器。

rd：目的操作数寄存器，存放操作结果。

opcode：（操作码）指令的基本操作。

下面以add x9,x20,x21为例介绍。

0000000

10101

10100

000

01001

0110011

01001：9        10100：20        10101：21

通过funct7，funct3，opcode来识别是一个R型加法指令

将x20寄存器中的值加上x21寄存器中的值相加的结果存放到x9寄存器中。

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I型：一般用于短立即数和访存操作

immediate（12bit）

rs1(5bit)

funct3(3bit)

rd(5bit)

opcode(7bit)

注意：计算机中是以补码形式存储immediate;12位立即数。立即数范围-2^11到（(2^11)-1）(-2048到2047)

下面以lb x9，64（x22）介绍

lb x9,64(x22)

000001000000

10110

000

01001

0000011

 000001000000 ：64        10110：22        01001：9

解释：将rs1地址偏移立即数位空间中的值存储到rd所指的寄存器空间中。

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S型：用于访存store操作

immediate[11:5]（7bit）

rs2（5bit）

rs1（5bit）

funct3（3bit）

immediate[4:0]（5bit）

opcode（7bit）

个人理解这里的立即数为何这样存储：为了规整，将原本的rd用来存储立即数的低5位。

下面以sb x5,40(x6)介绍

sb x5,40(x6)

0000001

00101

00110

000

01000

0100011

000000101000:40        00101：5        00110：6

解释：将rs2寄存器中的值存储到rs1寄存器偏移立即数位地址中去。

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B型：有条件分支

immediate[12,[10:5]]（7bit）

rs2（5bit）

rs1（5bit）

funct3（3bit）

immediate[[4:1],11]（5bit）

opcode（7bit）

注意：13位立即数，末尾始终为0；

B型立即数格式(末尾时钟为零）

imm[12]

imm[11]

imm[10:5]

imm[4:1]

0

下面以beq x5,x6,100为例

beq x5,x6,100

0000011

00110

00101

000

00100

1100011

代码中整理出的立即数

0

0

000011

0010

0

       注意在使用b型指令时，代码末尾别忘了补个0（或者获取的立即数别忘了左移一位）。解释：如果rs1和rs2寄存器中的值相等，则pc跳转到pc+immediate位置去，这是要重建流水线的。

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J型：无条件跳转

immediate[20,[10:1],11,[19:12]] (20bit)

rd (5bit)

opcode (7bit

J型立即数（20位）

immediate[20] immediate[19:12] immediate[11] immediate[10:1] 0

下面以jal x1,100为例

jal x1,100

00000110010000000000

00001

1101111

代码中立即数

0

00000000

0

0000110010

0

        写代码时，末尾补0别忘了

解释：将pc+4存储到rd寄存器中，同时pc跳转到pc+立即数位置去。

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U型：格式和B型类似，20位大立即数操作

immediate[31:12]

rd

opcode

vfd

与J型区别在于立即数放的位置

下面以lui x1,0xf0000为例

lui x1,0xf0000

11110000000000000000

00001

0110111

解释：rd寄存器存储立即数  x1=0xf0000;

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常见操作及其指令

1、算术运算指令

包括addi，slti，sltiu，add，sub，slt，sltu。

slt比较指令 指令后边加i 一般表示是指令中有立即数，而u表示有无符号。

immediate[11:0]		rs1	000	rd	0010011	addi(I型)
immediate[11:0]		rs1	010	rd	0010011	slti(I型)
immediate[11:0]		rs1	011	rd	0010011	sltiu(I型)
0000000	rs2	rs1	000	rd	0110011	add(R型)
0100000	rs2	rs1	000	rd	0110011	sub(R型)
0000000	rs2	rs1	010	rd	0110011	slt(R型)
0000000	rs2	rs1	011	rd	0110011	sltu(R型)

2、移位指令

包括slli，srli，srai，sll，srl，sra。

注意立即数移位指令中立即数（shamt）的范围：（这里立即数是5位的立即数）具体如下表：

0000000	shamt	rs1	001	rd	0010011	slli(I型)
0000000	shamt	rs1	101	rd	0010011	srli(I型)
0100000	shamt	rs1	101	rd	0010011	srai(I型)
0000000	rs2	rs1	001	rd	0110011	sll(R型)
0000000	rs2	rs1	101	rd	0110011	srl(R型)
0100000	rs2	rs1	101	rd	0110011	sral(R型)

注意逻辑右移和算术右移是由区别的。

逻辑右移：数据向右移立即数位，空位填0。

算术右移：数据向右移立即数位，空位填最高位(符号位)。

为了区别这两个机器码的第30位用来作为判断。具体仔细观察上表。

3、逻辑操作指令

包括xori ，ori，andi，xor，or，and。

imm[11:0]		rs1	100	rd	0010011	xori(I型)
imm[11:0]		rs1	110	rd	0010011	ori(I型)
imm[11:0]		rs1	111	rd	0010011	andi(I型)
0000000	rs2	rs1	100	rd	0110011	xor(R型)
0000000	rs2	rs1	110	rd	0110011	or(R型)
0000000	rs2	rs1	111	rd	0110011	and(R型)

小总结：算术运算，逻辑运算，移位运算这些基本运算指令一般都为R型或者I型指令

4、加载存储指令

包括lb，ln，lw，lbu，lhu，sb，sh，sw。

作用就是将数据从寄存器中取出来，或者存储到寄存器中去，不同在于每次取出多少（半字，字等）。

imm[11:0]		rs1	000	rd	0000011	lb(I型)
imm[11:0]		rs1	001	rd	0000011	lh(I型)
imm[11:0]		rs1	010	rd	0000011	lw(I型)
imm[11:0]		rs1	100	rd	0000011	lbu(I型)
imm[11:0]		rs1	101	rd	0000011	lhu(I型)
imm[11:5]	rs2	rs1	000	imm[4:0]	0100011	sb(S型)
imm[11:5]	rs2	rs1	001	imm[4:0]	0100011	sh(S型)
imm[11:5]	rs2	rs1	010	imm[4:0]	0100011	sw(S型)

5、控制转移指令

主要是一些跳转指令：beg，bne，blt，bge，bltu，bgeu，jalr，jal。

imm[12]	imm[10:5]	rs2	rs1	000	imm[4:1]	imm[11]	1100011	beq(B型)
imm[12]	imm[10:5]	rs2	rs1	001	imm[4:1]	imm[11]	1100011	bne(B型)
imm[12]	imm[10:5]	rs2	rs1	100	imm[4:1]	imm[11]	1100011	blt(B型)
imm[12]	imm[10:5]	rs2	rs1	101	imm[4:1]	imm[11]	1100011	bge(B型)
imm[12]	imm[10:5]	rs2	rs1	110	imm[4:1]	imm[11]	1100011	bltu(B型)
imm[12]	imm[10:5]	rs2	rs1	111	imm[4:1]	imm[11]	1100011	bgeu(B型)
imm[11:0]			rs1	000	rd		1100011	jalr(I型)
imm[20]	imm[10:1]	imm[11]	imm[19:12]		rd		1100011	jal(J型)

注意上述立即数存储方式，在上面的B型指令讲解中有提到。

总结

资源里有我使用FPGA写的一个基于RISC-V的单周期CPU。目前不具备流水线，后续准备写一个5级流水的单周期处理器，同样会发布到博客上。希望大家评论给出意见。