RISC-V学习笔记（二）：RISC-V寄存器和指令系统

RISC-V学习笔记（主线剧情）系列：

RISC-V 学习笔记（零）：准备工作_星影沉璧的博客-CSDN博客

RISC-V学习笔记（一）：RISC-V处理器和基础的RISC-V实现_星影沉璧的博客-CSDN博客

RISC-V学习笔记（二）：RISC-V寄存器和指令系统_星影沉璧的博客-CSDN博客

RISC-V汇编学习笔记（支线剧情）系列：

RISC-V 学习笔记（零）：准备工作_星影沉璧的博客-CSDN博客

RISC-V汇编学习笔记（一）:RISC-V汇编语言和基础的算术指令_星影沉璧的博客-CSDN博客

RISC-V汇编学习笔记（二）：RISC-V汇编语言访存指令_星影沉璧的博客-CSDN博客

RISC-V汇编学习笔记（三）:RISC-V汇编语言和条件判断分支转移指令_星影沉璧的博客-CSDN博客

RISC-V汇编学习笔记（四）:RISC-V汇编语言和逻辑运算指令_星影沉璧的博客-CSDN博客

RISC-V汇编学习笔记（五）:RISC-V汇编语言和函数调用_星影沉璧的博客-CSDN博客

RISC-V汇编学习笔记（六）：RISC-V汇编语言和栈的使用_星影沉璧的博客-CSDN博客

前提

在前面的主线剧情当中着重讲了RISC-V的基本实现，包括了RISC-V的CPU结构、RISC-V功能的实现等。实践部分的RISC-V项目：

1.寄存器的宽度为32位的RISC-V是RV32；寄存器的宽度为64位的RISC-V是RV64。（这里就解释了为什么实践项目里的位宽都没有超过32）

RISC-V寄存器

1.RISC-V寄存器堆:对数据通路至关重要的结构。由一组寄存器组成，可通过提供要访问的寄存器号来进行读写。（p437）和（p25） 

1.通用寄存器（regs.v）

在RISC-V当中一共拥有32个通用寄存器，在RV32中是32位宽，RV64中是64位宽。

注释：No代表Caller；Yes代表Callee；在函数调用关系中，通常将发起调用的函数称为调用函数（caller），将被调用函数称为被调用函数（callee）

接口名称	寄存器编号	说明
zero（零寄存器）	x0	用于做源寄存器(rs)或目标寄存器(rd)
ra（链接寄存器）	x1	用于保存返回时的返回地址
sp（栈指针寄存器）	x2	用于指向栈的地址
gp（全局寄存器）	x3	用于链接器松弛优化
tp（线程寄存器）	x4	用于在OS中保存指向进程控制块(task_struct)数据结构的指针
t0 ~ t6（临时寄存器	x5 - x7和x28 - x31
s0 - s11	x8 - x9和x18 - x27	用于作为保存寄存器，保存原进程中的关键数据，避免在函数调用过程中被破坏。其中x8（s0/fp）又被称为帧指针寄存器
a0 - a7	x10 - x17	用于向调用的函数传递参数，a0和a1寄存器常用于传递返还值

                注释：x0寄存器的值总为0

2.系统寄存器（csr_reg.v）

系统寄存器：状态寄存器(CSR)，属于CPU自带的一类寄存器，需要使用csrr、csrw、csrrw等特定指令进行访问。直接与RV32特权架构关联。

转载自：【RISC-V】RISC-V寄存器_一苇以航fp的博客-CSDN博客

RISC-V一共有三种模式：

RISC-V的权限模式和它们的编码：

1.M模式：机器模式，是RISC-V中的hart（硬件线程）可以执行的最高权限模式，是所有RISC-V处理器都必须要有的。（在项目csr_reg.v中可以知道使用的就是这种模式）

2.S模式：监督模式，可选，若支持，为 Linux，FreeBSD 和 Windows 等操作系统提供支持，该模式可运行模式可运行Linux等os内核。

3.U模式：用户模式，实现对资源的保护，运行用户应用。

M模式

M模式下异常处理的八个控制状态寄存器（CSR）：

1.mtvec（Machine Trap Vector）：保存发生异常时处理器需要跳转到得地址。

2.mepc（Machine Exception PC）：指向发生异常得指令。

3.mcause（Machine Exception Cause）：指示发生异常得种类。

4.mie（Machine Interrupt Enable）：指出处理器目前能处理和必须忽略的中断。

5.mip（Machine Interrupt Pending）：列出目前正准备处理的中断。（csr_reg.v中不包含）

6.mtval（Machine Trap Value）：保存了陷入（trap）的附加信息：地址例外出错的地址、发生非法指令例外的指令本身，对于其他异常，值为0。（csr_reg.v中不包含）

7.mscratch（Machine Scratch）：暂时存放一个字大小的数据。

8.mstatus(Machine Status)：保存全局中断使能，以及其他状态

RISC-V指令系统

RISC-V指令：计算机语言中的单词，它的词汇表被称为指令系统

RISC-V指令集

1.RISC-V指令集由基本指令集 + 扩展指令集组成，基础指令集是必选的，扩展指令是可选的。

2.RISC-V指令集中I（整数指令集）和E（嵌入式指令集，RV32E是32位特有）是基础指令集，在此基础上我们可以额外添加F（单精度浮点扩展）、M（整数乘除法）、A（原子扩展）等扩展指令。实践项目支持RV32IM指令集，也就是在RV32I的基础指令上添加了M扩展指令 。

3.实践项目使用的是RV32IM

基础指令集和扩展指令集描述：

转载自：RISC-V 入门笔记（新手必看！） - 知乎 (zhihu.com)

RV32IM指令

 1.RV32I基础指令（这玩意在支线任务里会讲，看完这你就能懂define.v里面的哪些R、J是啥玩意了）

注释：1.看这个图头大吧？我 当初第一次翻开书本看到这个图人都傻了，这个不重要啊，这                里我掏出来吓人的而已。

           2.把带下划线的字母从左到右连接就是RV32I的指令。花括号{}中的每个项目都是该指                令的变体。

6种基本指令格式：

注释：1.funct7：7位功能码，用于区分不同指令的种类。

           2.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。

           3.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。

           4.funct3：3位的功能码。

           5.rd：5位的目的寄存器，用于存储指令的运算结果。

           6.imm：不同长度的立即数 ，一般会扩展为32位再进行运算操作。

           7.opcode：7位指令操作码，用于区分不同的指令

1.R型指令：用于寄存器与寄存器之间算术运算操作。

2.I型指令：用于寄存器与立即数之间算术运算和读存储器操作。

3.S型指令：用于写存储器。

4.B型指令：用于分支转移操作（属于S型指令的变体，之前也叫SB型指令）。

5.U型指令：用于高20比特位立即数操作。

6.J型指令：用于直接跳转（属于U型指令的变体，之前也叫UJ型指令

2.RV32M扩展指令