深入解析RISC-V处理器：从零搭建核心模块与运作原理

我们在前面的文章中，讨论了计算机架构、计算机指令，今天我们将更深入，带你接触到计算的核心–处理器。 我们将会以最基础的RISC-V指令集为例，从无到有，循序渐进地搭建计算处理器，带你深入了解处理器的结构以及其运作。废话不多说，咱直接开始。

概述

计算机是根据指令来执行对应操作的，尽管指令的类型不一样，但是我们可以将其执行任务的相似的过程进行归纳合并，对不同的部分进行具体分析。

对几乎所有指令，计算机前两步都是一样的：

1. 程序计数器（PC）发送到指令所在存储的单元，并从中取出指令
2. 根据指令的某些字段，选择读取一或两个寄存器。对于ld指令，只需要读取一个寄存器，但对于大部分指令需要读取两个寄存器。

这两个步骤之后，后续的操作则取决于指令的类别。幸运的是，对于内存访问型指令、算术逻辑指令以及分支指令，他们的行为大体上是一致的。

所有的指令都在读取寄存器后，都需要用到ALU(算术逻辑单元）。内存访问型的指令，需要ALU来计算内存访问地址，算术逻辑指令则进行对应的运算，条件分支指令则需要判断相等条件是否成立（用ALU进行减法）。

在ALU之后，操作不同了。内存访问型的，需要读取或者写入数据到存储器中（ sd）；运算逻辑型指令（add）或加载指令(ld)，则需要将ALU的运算结果或者存储器中的数据写回寄存器。对于条件分支指令，我们会根据ALU的比较结果，要么改变一个指令的地址，要么对PC经行自增（PC= PC+4）

模块拆分

在有了大体的概念之后，我们现在对处理器模块根据指令的功能，经行拆分，逐个击破

指令的获取

所有的指令的获取,是处理器执行任务的第一步，这一部分主要与程序计数器（Program Counter, PC）,指令存储器、加法器组成。

指令存储器中存有将高级语言转换成许多台条指令；PC是一个64-bit的寄存器，每周期都会被修改，因而不需要写信号进行控制，它是指令的地址，或者说指令存储器的索引；因为计算机是串行的，因而每个时钟周期后,PC都需要增加，将ALU功能固定，始终执行加法操作。

在RISC架构中，每条指令占用连续的4个字节（32位），而现代计算机结构是采用字节寻址的，因而一般情况下，下一条指令的位置就是当前的位置加4

R型指令（算术逻辑指令）

常用的算术逻辑指令有：add,sub,and,or。 它们都需要对三个寄存器进行操作，例如add x1, x2, x3 将寄存器2和3的数据求和后，写回寄存器1中。

在CPU中，有一个叫寄存器文件（Register File）的高速存储单元，它由若干（RISC-V有32个）寄存器构成。它的存在主要是为了加速运算时的数据访问和数据的传递。

R型指令都有3个寄存器操作对象，对应到架构上。寄存器文件会有两个输出（读操作）和一个输入（写操作），因而需要有6个接口，三个关于数据，以及三个与数据对应的要进行操作的寄存器地址。 （2^5=32）

从寄存器文件中去读的文件，会做为ALU的两个输入，根据指令类型执行对应操作，将结果写回寄存器文件中。

数据访问

现在考虑数据访问和存储。 如 ld x1, offset(x2)， sd x1 offset(x2)。

该类型指令根据基地址计算偏移从而得到内存的索引（基地址+指令中的12位有符号的偏移地址）。不论时访问还是存储，都需要计算内存索引，因而都需要用到ALU. 如果是ld， 则需要将内存的数据载入到寄存器中，如果是sd则需要将寄存器中数据存到内存中。

此外，我们还需要将12bit的偏移扩展到64位（有符号），扩展符号的目的是为了保持偏移量的正负，可以允许访问基址前后的地址；扩展到64位，是因为允许访问的内存范围会更大，同时因为地址总线位64位，因而需要与基地址对齐。

条件分支

beq 指令（beq x1, x2, offset） ， 有3个操作对象，有两个是寄存器，用于比较是否相等；剩下一个12bit的偏移，用于计算相对于当前分支指令的分支的目标地址。

分支目的地址有当前分支指令的地址（PC）加上指令中偏移量；同时还需要对偏移经行左移1位（相当于x2），这样可以避免最低位不为零的情况，避免处理非对齐地址的复杂性。如果条件成立，分支目的地址会成为新的PC；如果没有，那么PC自增

到此，我们已经将所有的模块介绍了一遍了，将其拼接起来，就可以得到完成的初级版处理器

总结

我们先整体然后到局部，分析了处理器针对不同指令需要实现各个功能以及对应的相应模块。

值得注意的是，由于我们是根据部分表指令搭建的处理器，因为功能还一定完整；同时此处描述的只是原型，我们后续还会加上控制单元的部分，以采用及流水线结构。

以及对应的相应模块。

值得注意的是，由于我们是根据部分表指令搭建的处理器，因为功能还一定完整；同时此处描述的只是原型，我们后续还会加上控制单元的部分，以采用及流水线结构。