从零开始设计RISC-V处理器——指令系统

只看该作者 · 2022-5-28 16:08

本人本科生一枚，之前学习了计算机体系结构（RISC-V版）这本书，对CPU的设计产生了浓厚的兴趣，于是决定在寒假期间，自己动手设计一个基于RISC-V指令集的CPU，顺便写一些**，记录自己的学习成果，如果**中有不合理之处，希望大家能批评指正。

今天是第一天，首先进行指令的选取。

只看该作者 · 2022-5-28 16:09

原文链接：https://blog.csdn.net/qq_45677520/article/details/122309083

只看该作者 · 2022-5-28 16:11

如下表所示，计划实现以下37条指令。

只看该作者 · 2022-5-28 16:11

对指令的理解：
1.LUI：将20位立即数的值左移12位（低12位补零）成为一个32位数，将其写回rd。这一指令主要是为了在寄存器中存入比较大的立即数，比如，要想在寄存器X1中存入一个数，可以用addi指令实现（addi x1,x0,100），但这个数的范围有限（-2048~2047），因为addi指令的立即数部分只有12位，能表示最大的无符号数位0xfff(十进制4095)，对应的有符号数的范围则为-2048到2047。当立即数超出这个范围，则需要用lui指令。

只看该作者 · 2022-5-28 16:12

如lui x1,0xffff ，二进制指令：00001111111111111111000010110111

汇编器执行结果如下：

只看该作者 · 2022-5-28 16:14

2.AUIPC：将20位立即数的值左移12位（低12位补零）成为一个32位数，再加上该指令的pc值，再将结果写回rd。这条指令与lui类似，可能是为了实现PC在较大范围内跳转（仅仅是猜测，因为这条指令我还没有接触过）。

只看该作者 · 2022-5-28 16:15

如auipc x2,0xfff,二进制指令：00000000111111111111000100010111

当前PC为4，汇编器执行结果如下：

只看该作者 · 2022-5-28 16:49

3.JAL:PC+4 的结果送 rd 但不送入PC，然后计算下条指令地
址。转移地址采用相对寻址，基准地址为当前指令地址
(即 PC)，偏移量为立即数 imm20 经符扩展后的值的 2 倍。
在实际的汇编程序编写中，跳转的目标往往使用汇编程序中的 label，汇编器会自动根据 label 所在的地址计算出相对的偏移量赋予指令编码。

只看该作者 · 2022-5-28 16:50

如：
jal x3,label1 二进制：00000000100000000000000111101111
addi x4,x0,4
label1:
addi x5,x0,5
当前PC为 8，跳过给X4赋值这条指令，并且将12赋给X3寄存器，汇编器执行结果如下：

只看该作者 · 2022-5-28 16:50

只看该作者 · 2022-5-28 16:51

（补充：仔细分析上面jal指令的二进制会发现，立即数部分是4，4*2=8，PC+8=12,跳过中间的一条指令，这样看起来似乎没什么问题。

但是再看jal的立即数部分，总共是20位，拼接起来是[20：1]，这里为什么不是[19:0]？

观察其他的指令格式，如果立即数是12位，那么会表示为[11:0]，但JAL,BEQ,BNE,BLT,BGE,BLTU,BGEU却例外。

只看该作者 · 2022-5-28 16:52

于是引发了以下思考（个人观点，未经查证，以后深入学习之后再回来补充）：假设立即数其实是21位的,即[20:0]，只不过始终保持最低位为0，所以在指令中仅仅体现[20:1]，这样一来，21位的立即数一定是2的倍数，将立即数乘以2之后，一定是4的倍数，这样就可以保证跳转后的PC一定是4的倍数。所以，对于一个label,假设当前指令为第0行，label为第几行，立即数[20:1]则为多少，这样，立即数最低位补0再乘以2，与当前PC相加，则为正确的跳转地址。

只看该作者 · 2022-5-28 16:52

以上的假设便能够合理地解释立即数为[20:1]的原因。

只看该作者 · 2022-5-28 16:53

基于以上假设再来看上面jal指令的二进制，发现并不是这样，在以上的假设中，立即数应该是2，但汇编器转化出来的立即数是4，所以要么是我的假设出了问题，要么是汇编器出了问题。

只看该作者 · 2022-5-28 16:53

在这里我更愿意相信我的假设，也许并不一定正确，但这看起来似乎更合理。以上仅为个人拙见，日后深入学习后可能才会发现其中的奥妙。）

只看该作者 · 2022-5-28 16:54

4.JALR:jalr 指令使用 12 位立即数（有符号数）作为偏移量，与操作数寄存器 rs1中的值相加,然后将结果的最低有效位置0。jalr指令将其下一条指令的 PC（即当前指令PC+4）的值写入其结果寄存器 rd。

只看该作者 · 2022-5-28 16:55

如：
addi x4,x0,4
jalr x8,x4,8 二进制：00000000100000100000111111100111
addi x5,x0,5
addi x6,x0,6
addi x7,x0,7
jalr指令所在的PC为4，4+8=12，则跳向PC=12的指令，同时将8存入X8寄存器。

只看该作者 · 2022-5-28 16:56

汇编器执行结果如下：

只看该作者 · 2022-5-28 16:56

5.BEQ：beq指令只有在操作数寄存器rs1中的数值与操作数寄存器rs2的数值相等时，才会跳转，跳转地址为offset的有符号扩展和最低位补0（即乘以2）的偏移量加上BEQ指令的地址。

只看该作者 · 2022-5-28 16:57

如：
addi x1,x0,1
label1:
add x1,x1,x1
addi x2,x0,2
beq x1,x2,label1 二进制：11111110001000001000110011100011

从零开始设计RISC-V处理器——指令系统

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