RISC-V处理器的设计与实现（一）—— 基本指令集

Patarw_Li

已于 2023-11-10 10:36:25 修改

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分类专栏： RISC-V处理器设计文章标签： risc-v fpga开发学习

于 2023-06-20 16:08:29 首次发布

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RISC-V处理器的设计与实现（一）—— 基本指令集_Patarw_Li的博客-优快云博客

RISC-V处理器的设计与实现（二）—— CPU框架设计_Patarw_Li的博客-优快云博客

RISC-V处理器的设计与实现（三）—— 上板验证_Patarw_Li的博客-优快云博客

RISC-V处理器设计（四）—— Verilog 代码设计-优快云博客

RISC-V处理器设计（五）—— 在 RISC-V 处理器上运行 C 程序-优快云博客

本人小白一枚，在学习FPGA的过程中偶然刷到了tinyriscv这个开源项目，并且自己对计算机体系结构的知识也很感兴趣，所以想参考这个开源项目做一个基于RISC-V指令集的CPU，本项目很多思路和设计都参考了tinyriscv开源项目。

本人自己做的 riscv-cpu 项目仓库（如果觉得对你有帮助请一定一定点个 star！）：

riscv-cpu: 一个基于RISC-V指令集的CPU实现（成功移植到野火征途PRO开发板）

在设计RISC-V处理器之前，我们首先要做的事就是指令集的选取，指令集是一个CPU的基石，要实现CPU 计算和控制功能，就必须定义好一系列与硬件电路相匹配的指令系统。下面是RISC-V官方给出的指令集架构：

因为是第一次做，所以我们选择简单一点的32位基本指令集，也就是RV32I 基本指令集（目前增加了RV32M扩展）。

RV32I 基本指令集有6种格式，分别是：

目的	类型
用于寄存器-寄存器操作	R 类型指令
用于短立即数和访存 load 操作	I 型指令
用于访存 store 操作	S 型指令
用于条件跳转操作	SB 类型指令
用于长立即数	U 型指令
用于无条件跳转	UJ 型指令

RV32I 基本指令集有47条指令，如下图：

本项目目前除了 FENCE 指令其他的都已经实现，下面介绍了一下这些指令的用法，这里给大家先推荐一个好用的工具叫Ripes，可以到上面运行riscv汇编指令，并且可以把对应的指令转成二进制机器码，方便我们后面的仿真：

Releases · mortbopet/Ripes · GitHub

下面我们开始指令的介绍。

RV32I 基本指令集

1. LUI

语法：lui rd, imm，作用是将立即数imm逻辑左移12位，结果写入rd寄存器（立即数是无符号数）。

我们在ripes运行如下例子来看看结果：

lui x1,1
lui x2,255

如下是运行结果，可以看到寄存器内的数值都是立即数左移12位的结果（16进制）：

2. AUIPC

语法：auipc rd, imm，作用是将立即数imm逻辑左移12位，然后加上当前指令PC的值，结果写入rd寄存器（立即数是无符号数）。

我们可以通过将立即数的值设置为0来计算PC的值：

auipc x1,0
auipc x2,0
auipc x3,0
auipc x4,4

运行结果如下：

3. JAL（无条件跳转指令）

语法：jal rd, imm，作用是将PC的值加上4，结果写入rd寄存器，rd默认为x1，同时将PC的值设置为当前jal指令地址PC加上符号位拓展的imm。

我们可以通过这个指令来跳到指定的指令执行：

auipc x2,0
auipc x3,0
auipc x4,4
jal x1,-12

可以看到上述指令会一直循环执行。

4. JALR（无条件跳转指令，寄存器相对寻址）

语法：jalr rd, rs1,imm，作用是将PC的值加上4，结果写入rd寄存器，rd默认为x1，同时将当前PC值设置为寄存器rs1的值加上符号位拓展的imm。

功能和JAL指令一样，不过计算跳转地址的方式不一样，JAL指令跳转地址为PC+imm，而JALR指令跳转地址为寄存器rs1内容+imm：

addi x1,x0,8
auipc x2,0
auipc x3,0
auipc x4,4
jalr x5,x1,4

因为第4条指令的地址为12，寄存器x1的内容8+立即数4等于12，所以可以看到程序跳转到第四条指令执行：

5. BEQ（分支跳转指令，相等时跳转）

语法：beq rs1, rs2, imm，作用是如果rs1的值等于rs2的值，则将PC设置为符号当前指令beq地址+符号位拓展的立即数imm。

addi x1,x0,1
addi x2,x0,2
add x1,x1,x1
beq x1,x2,-4

执行结果如下，可以看到第三条add指令执行了两次：

6. BNE（分支跳转指令，不等时跳转）

语法：bne rs1, rs2, imm，作用是如果rs1的值不等于rs2的值，则将PC设置为符号当前指令bne地址+符号位拓展的立即数imm。

addi x1,x0,1
addi x2,x0,8
add x1,x1,x1
bne x1,x2,-4

执行结果如下，可以看到第三条add指令执行了三次：

7. BLT（分支跳转指令，小于时跳转）

语法：blt rs1, rs2, imm，作用是如果rs1的值小于rs2的值，则将PC设置为符号当前指令blt地址+符号位拓展的立即数imm。

addi x1,x0,1
addi x2,x0,8
add x1,x1,x1
blt x1,x2,-4

执行结果如下，可以看到第三条add指令执行了三次：

8. BGE（分支跳转指令，大于等于时跳转）

语法：bge rs1, rs2, imm，作用是如果rs1的值大于或等于rs2的值，则将PC设置为符号当前指令bge地址+符号位拓展的立即数imm。

addi x1,x0,10
addi x2,x0,8
addi x1,x1,-1
bge x1,x2,-4

执行结果如下，可以看到第三条addi指令执行了三次：

9. BLTU（分支跳转指令，无符号数比较，小于时跳转）

语法：bltu rs1, rs2, imm，作用是如果rs1的值小于rs2的值（rs1和rs2为无符号数），则将PC设置为符号当前指令bltu地址+符号位拓展的imm。

10. BGEU（分支跳转指令，无符号数比较，大于或等于时跳转）

语法：bgeu rs1, rs2, imm，作用是如果rs1的值大于或等于rs2的值（rs1和rs2为无符号数），则将PC设置为符号当前指令bgeu地址+符号位拓展的imm。

BLTU、BGEU和BLT、BGE的区别在于一个是无符号数比较，一个是有符号数比较。

如下两个示例，执行结果是不一样的：

addi x1,x0,-1
addi x2,x0,8
addi x1,x1,-1
bge x1,x2,-4

addi x1,x0,-1
addi x2,x0,8
addi x1,x1,-1
bgeu x1,x2,-4

11. LB（访存指令，一字节）

语法：lb rd, imm, rs1，作用是从处读rs1加上imm的地址取一个字节的内容，并将该内容经符号位扩展后写入rd寄存器。

addi x1,x0,-1
lb x3,1,x1

执行结果如下，可以看到memory内第一个字节的数据被符号位扩展后送入寄存器x3：

12. LH（访存指令，两字节）

语法：lh rd, imm, rs1，作用是从处读rs1加上imm的地址取两个字节的内容，并将该内容经符号位扩展后写入rd寄存器。

addi x1,x0,0
lh x3,4,x1

执行结果如下，可以看到memory内地址4的两个字节数据被符号位拓展后送入x3：

13. LW（访存指令，四字节）

语法：lw rd, imm, rs1，作用是从处读rs1加上imm的地址取四个字节的内容，并将该内容写入rd寄存器（因为四字节位数和寄存器位数相同，所以无需符号位拓展）。

addi x1,x0,0
lw x3,4,x1

执行结果如下，可以看到memory内地址4的四个字节数据被送入x3：

14. LBU（访存指令，一字节，无需符号位拓展）

语法：lbu rd, imm, rs1，作用是从处读rs1加上imm的地址取一个字节的内容，并将该内容经高位补0后写入rd寄存器。

15. LHU（访存指令，两字节，无需符号位拓展）

语法：lhu rd, imm, rs1，作用是从处读rs1加上imm的地址取两个字节的内容，并将该内容经高位补0后写入rd寄存器。

16. SB（访存指令，一字节）

语法：sb rs2, imm, rs1，作用是将rs2的低八位写入rs1加上imm的地址处。

addi x1,x0,-1
sb x1,0,x0

执行结果如下：

17. SH（访存指令，两字节）

语法：sh rs2, imm, rs1，作用是将rs2的低16位写入rs1加上imm的地址处。

addi x1,x0,-1
sh x1,0,x0

执行结果如下：

18. SW（访存指令，四字节）

语法：sw rs2, imm, rs1，作用是将rs2写入rs1加上imm的地址处。

addi x1,x0,-1
sw x1,0,x0

19. ADDI

语法：addi rd, rs1, imm，作用是将符号扩展的立即数imm的值加上rs1的值，结果写入rd寄存器，忽略算术溢出。

addi x1,x0,-1
addi x2,x1,2

执行结果如下：

20. SLTI（小于置1）

语法：slti rd, rs1, imm，作用是将符号扩展的立即数imm的值与rs1的值比较(有符号数比较)，如果rs1 < imm，则向rd寄存器写1，否则写0。

addi x1,x0,-1
slti x2,x1,2

执行结果如下：

21. SLTIU（小于置1，无符号比较）

语法：sltiu rd, rs1, imm，作用是将符号位拓展的立即数imm作为作为无符号数与rs1的值比较(无符号数比较)，如果rs1 < imm，则向rd寄存器写1，否则写0。（一定要将上面的话理解清楚，不然设计的时候会出问题）

addi x1,x0,-1
sltiu x2,x1,2

执行结果如下，可以看到x2结果变为了0：

22. XORI（异或）

语法：xori rd, rs1, imm，作用是将rs1与符号位扩展的imm按位异或，结果写入rd寄存器。

23. ORI

语法：ori rd, rs1, imm，作用是将rs1与符号位扩展的imm按位或，结果写入rd寄存器。

24. ANDI

语法：andi rd, rs1, imm，作用是将rs1与符号位扩展的imm按位与，结果写入rd寄存器。

25. SLLI（逻辑左移）

语法：slli rd, rs1, shamt，作用是将rs1左移shamt位，空出的位补0，结果写入rd寄存器。

26. SRLI（逻辑右移）

语法：srli rd, rs1, shamt，作用是将rs1右移shamt位，空出的位补0，结果写入rd寄存器。

27. SRAI（算术右移）

语法：srai rd, rs1, shamt，作用是将rs1右移shamt位，空出的位用rs1的最高位补充，结果写入rd寄存器。

28. ADD

语法：add rd, rs1, rs2，作用是将rs1寄存器的值加上rs2寄存器的值，然后将结果写入rd寄存器里，忽略算术溢出。

29. SUB

语法：sub rd, rs1, rs2，作用是将rs1寄存器的值减去rs2寄存器的值，然后将结果写入rd寄存器里，忽略算术溢出。

30. SLL

语法：sll rd, rs1, rs2，作用是将rs1左移rs2位(低5位有效)，空出的位补0，结果写入rd寄存器。

31. SLT

语法：slt rd, rs1, rs2，作用是将rs1的值与rs2的值比较(有符号数比较)，如果rs1的值更小，则向rd寄存器写1，否则写0。

32. SLTU

语法：sltu rd, rs1, rs2，作用是将rs1的值与rs2的值比较(无符号数比较)，如果rs1的值更小，则向rd寄存器写1，否则写0。

33. XOR

语法：xor rd, rs1, rs2，作用是将rs1与rs2按位异或，结果写入rd寄存器。

34. SRL

语法：srl rd, rs1, rs2，作用是将rs1右移rs2位(低5位有效)，空出的位补0，结果写入rd寄存器。

35. SRA

语法：sra rd, rs1, rs2，作用是将rs1右移rs2位(低5位有效)，空出的位用rs1的最高位补充，结果写入rd寄存器。

36. OR

语法：or rd, rs1, rs2，作用是将rs1与rs2按位或，结果写入rd寄存器。

37. AND

语法：and rd, rs1, rs2，作用是将rs1与rs2按位与，结果写入rd寄存器。

RV32M 扩展指令集

1. MUL

语法：mul rd, rs1, rs2，作用是将rs1与rs2相乘，结果的低32位写入rd寄存器。

2. MULH

语法：mulh rd, rs1, rs2，作用是将rs1与rs2相乘，结果的高32位写入rd寄存器。

3. MULHSU

语法：mulhsu rd, rs1, rs2，作用是将rs1与rs2相乘，其中rs1为有符号数，rs2为无符号数，结果的高32位写入rd寄存器。

4. MULHU

语法：mulhu rd, rs1, rs2，作用是将rs1与rs2相乘，其中rs1、rs2均为无符号数，结果的高32位写入rd寄存器。

5. DIV

语法：div rd, rs1, rs2，作用是将rs1与rs2相除，结果的商写入rd寄存器。

6. DIVU

语法：divu rd, rs1, rs2，作用是将rs1与rs2相除，其中rs1、rs2均为无符号数，结果的商写入rd寄存器。

7. REM

语法：rem rd, rs1, rs2，作用是将rs1与rs2相除，结果的余数写入rd寄存器。

8. REMU

语法：remu rd, rs1, rs2，作用是将rs1与rs2相除，其中rs1、rs2均为无符号数，结果的余数写入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会在这里更新。

之后我会还会出新文章更新具体设计部分的内容，大家看了如果觉得有帮助请点个小小的赞吧~

如果遇到问题也欢迎加群 892873718 交流~