系列文章目录

（一）从零开始设计RISC-V处理器——指令系统
（二）从零开始设计RISC-V处理器——单周期处理器的设计
（三）从零开始设计RISC-V处理器——单周期处理器的仿真
（四）从零开始设计RISC-V处理器——ALU的优化
（五）从零开始设计RISC-V处理器——五级流水线之数据通路的设计
（六）从零开始设计RISC-V处理器——五级流水线之控制器的设计
（七）从零开始设计RISC-V处理器——五级流水线之数据冒险
（八）从零开始设计RISC-V处理器——五级流水线之控制冒险
（九）从零开始设计RISC-V处理器——五级流水线之分支计算前移
（十）从零开始设计RISC-V处理器——五级流水线之静态预测

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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，顺便写一些文章，记录自己的学习成果，如果文章中有不合理之处，希望大家能批评指正。

（目前单周期处理器代码已更新完成，点击链接直达：基于RISC-V指令集的单周期处理器的设计）

（视频版正在更新中~:
1.基于RISC-V指令集的处理器设计——CPU的基本原理
2.基于RISC-V指令集的处理器设计——指令集的介绍
）
今天是第一天，首先进行指令的选取。

如下表所示，计划实现以下37条指令。

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。

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

汇编器执行结果如下：

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）。

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

当前PC为4，汇编器执行结果如下：

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。

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：

（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。

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。

以上的假设便能够合理地解释立即数为[20:1]的原因。

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。

站在汇编器的角度，立即数就是20位的，不存在最低位补个0的说法，所以汇编器在计算立即数的时候，自然而然地就已经将立即数设置成2的倍数了。对于BEQ,BNE,BLT,BGE,BLTU,BGEU指令也是一样。

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。）

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。

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。汇编器执行结果如下：

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。

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

汇编器执行结果如下：

6.BNE：bne指令只有在操作数寄存器rs1中的数值与操作数寄存器rs2的数值不相等时，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BNE指令的地址。

如：
addi x1,x0,1
label1:
add x1,x1,x1
addi x2,x0,4
bne x1,x2,label1 二进制：11111110001000001001110011100011

汇编器执行结果如下：

7.BTL：blt指令只有在操作数寄存器rs1中的数值小于操作数寄存器rs2的数值时（有符号数），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BLT指令的地址。

如：
addi x1,x0,-1
label1:
add x1,x1,x1
addi x2,x0,-2
blt x1,x2,label1 二进制：11111110001000001100110011100011

汇编器执行结果如下：

8.BGE：bge指令只有在操作数寄存器rs1中的数值大于或等于操作数寄存器rs2的数值时（有符号数），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BGE指令的地址。
(注意bge指令的条件是大于等于，而blt的条件是小于)

如：
addi x1,x0,-1
label1:
add x1,x1,x1
addi x2,x0,-2
bge x1,x2,label1 二进制：11111110001000001101110011100011

汇编器执行结果如下：

9.BLTU：bltu指令只有在操作数寄存器rs1中的数值小于操作数寄存器rs2的数值时（无符号数），才会跳转，跳转地址为offset的有符号扩展和最低位补0的偏移量加上BLTU指令的地址。

如：
addi x1,x0,-1
label1:
add x1,x1,x1
addi x2,x0,2
bltu x1,x2,label1 二进制：11111110001000001110110011100011

这里一定是不跳转的，X1的值为-2，但是将其看作是一个无符号的数，就是一个非常大的正数。汇编器执行结果如下：

有符号表示：

无符号表示：

10.BGEU：bgeu指令只有在操作数寄存器rs1中的数值大于或等于操作数寄存器rs2的数值时（无符号数），才会跳转，跳转地址为offset的有符号扩展和最低位补0的偏移量加上BGEU指令的地址。

如：
addi x1,x0,-1
label1:
add x1,x1,x1
addi x2,x0,-2
bgeu x1,x2,label1 二进制：11111110001000001111110011100011

这里一定是跳转一次的，因为刚开始时X1=X2，跳转一次后不会再跳转。
汇编器执行如果如下：

有符号表示：

无符号表示：

11.SB：sb指令 将操作数寄存器rs2中的低8位数据，写回存储器

如：
addi x1,x0,0xf1
addi x2,x0,0xf2
addi x3,x0,0xf3
addi x4,x0,0xf4
sb x1,0,x0
sb x2,1,x0
sb x3,2,x0
sb x4,3,x0

汇编器执行结果如下：

12.SH：sh指令 将操作数寄存器rs2中的低16位数据，写回存储器。

如：
lui x1,0xf0f11
addi x1,x1,0x7ff
sh x1,12,x0

汇编器执行结果如下：

寄存器X1：

数据存储器：

13.SW：sw指令 将操作数寄存器rs2中的32位数据，写回存储器。

如：
lui x1,0xf0f11
addi x1,x1,0x7ff
sw x1,12,x0

汇编器执行结果如下：

14.LB:lb指令从存储器中读回一个8位的数据，进行符号位扩展后写回寄存器rd。

如：
lui x1,0x3ef12
addi x1,x1,0x7ff
sw x1,12,x0
lb x2,12,x0
lb x3,13,x0
lb x4,14,x0
lb x5,15,x0

现在X1寄存器存入一个0x3ef127ff,然后将这32位数存入数据存储器，再从数据存储器中依次读一个字节并进行符号扩展后存入寄存器。汇编器执行结果如下：

X1寄存器：

数据存储器：

符号扩展写入寄存器：

15.LH:lh指令从存储器中读回一个16位的数据，进行符号位扩展后写回寄存器rd。

如：
lui x1,0x3ef12
addi x1,x1,0x7ff
sw x1,12,x0
lh x2,12,x0
lh x3,13,x0
lh x4,14,x0
lh x5,15,x0

汇编器执行结果如下：

数据存储器：

符号扩展写入寄存器：

（思考：这里的X5中的83是什么，调出来数据存储器的数据可以看到，由于这里的地址是非对其访问，读两个字节就需要访问两个存储块。因此，为了提升指令的运行效率，使用load和store指令时，尽量采用边界对齐的地址访问）

16.LW：lw指令从存储器中读回一个32位的数据，写回寄存器rd。

如：
lui x1,0xf0f11
addi x1,x1,0x7ff
sw x1,0,x0
lw x2,0,x0

汇编器的执行结果如下：

数据存储器：

寄存器：

17.LBU:lbu指令从存储器中读回一个8位的数据，进行高位补零扩展后写回
寄存器rd。

如：
lui x1,0x3ef12
addi x1,x1,0x7ff
sw x1,12,x0
lbu x2,12,x0
lbu x3,13,x0
lbu x4,14,x0
lbu x5,15,x0

汇编器的执行结果如下：

数据存储器：

零扩展写入寄存器：

18.LHU：lhu指令从存储器中读回一个16位的数据，进行高位补零扩展后写回寄存器rd。

如：
lui x1,0x3ef12
addi x1,x1,0x7ff
sw x1,12,x0
lhu x2,12,x0
lhu x3,13,x0
lhu x4,14,x0
lhu x5,15,x0

汇编器执行结果如下：

数据存储器：

零扩展写入寄存器：

19.SLT:slt指令将操作数寄存器rs1中的数值与寄存器rs2当作有符号数进行比较。小于则置一，即如果rs1中的值小于rs2中的值，则输出1，否则输出0，结果写回rd。

如：
addi x1,x0,-1
addi x2,x0,1
slt x3,x1,x2

汇编器执行结果如下：

20.SLTU:sltu指令将操作数寄存器rs1中的数值与寄存器rs2当作无符号数进行比。如果rs1中的值小于rs2中的值，则输出1，否则输出0，结果写回rd。

如：
addi x1,x0,-1
addi x2,x0,1
sltu x3,x1,x2

汇编器执行结果如下：

21.SLTI:slti指令将操作数寄存器rs1中的数值与12位立即数当作有符号数进行比较,如果rs1中的值小于立即数的值，则输出1，否则输出0，结果写回rd。

如：
addi x1,x0,-1
slti x2,x1,1

汇编器执行结果如下：

22.SLTIU:sltiu指令将操作数寄存器rs1中的数值与12位立即数当作无符号数进行比较,如果rs1中的值小于立即数的值，则输出1，否则输出0，结果写回rd。

如：
addi x1,x0,-1
sltiu x2,x1,1

汇编器执行结果如下：

23.SLL:逻辑左移（SLL）根据寄存器（rs2）中的移位量对寄存器（rs1）中的值执行逻辑左移，并存储在（rd）寄存器中。

如：
addi x1,x0,4
addi x2,x0,0xf0
sll x3,x2,x1

汇编器执行结果如下：

24.SRL：逻辑右移（SRL）根据寄存器（rs2）中的移位量对寄存器（rs1）中的值执行逻辑右移，左边空出来的位补0，并存储在（rd）寄存器中。

如：
addi x1,x0,4
addi x2,x0,-0xf0
srl x3,x2,x1

汇编器执行结果如下：

25.SRA：算数右移（SRA）根据寄存器（rs2）中的移位量对寄存器（rs1）中的值执行算数右移，左边空出来的位补符号位，并存储在（rd）寄存器中。

如：
addi x1,x0,4
addi x2,x0,-0xf0
sra x3,x2,x1

汇编器执行结果如下：

26.SLLI:slli指令根据5位立即数的移位量对寄存器（rs1）中的值执行逻辑左移（低位补零)，并存储在（rd）寄存器中。
27.SRLI:srli指令根据5位立即数的移位量对寄存器（rs1）中的值执行逻辑右移（高位补零），并存储在（rd）寄存器中。
28.SRAI:srai指令根据5位立即数的移位量对寄存器（rs1）中的值执行算数右移（高位补入符号位），并存储在（rd）寄存器中。

如：
addi x2,x0,-0xf0
slli x3,x2,4
srli x4,x2,4
srai x5,x2,4

汇编器执行结果如下：

29.ADD:add指令将寄存器（rs1）与寄存器（rs2）中的值相加，并写回（rd）寄存器中。
30.SUB:sub指令将寄存器（rs1）与寄存器（rs2）中的值相减，并写回（rd）寄存器中。
31.ADDI:addi指令将操作数寄存器rs1的整数值与12位立即数进行加法操作，
结果写回寄存器rd。

如：
addi x1,x0,-1
add x2,x1,x1
sub x3,x2,x1

汇编器执行结果如下：

32.XOR:xor指令在寄存器（rs1）的内容和寄存器（rs2）的内容之间执行逐位逻辑“异或”运算，并存储在（rd）寄存器中。
33.OR:or指令在寄存器（rs1）的内容和寄存器（rs2）的内容之间执行逐位逻辑“或”运算，并存储在（rd）寄存器中。
34.AND:and指令在寄存器（rs1）的内容和寄存器（rs2）的内容之间执行逐位逻辑“与”运算，并存储在（rd）寄存器中。
35.XORI:xori指令将操作数寄存器rs1中的数值与12位立即数进行异或操作，
结果写回rd。
36.ORI:ori指令将操作数寄存器rs1中的数值与12位立即数进行或操作，
结果写回rd。
37.ANDI：andi指令将操作数寄存器rs1中的数值与12位立即数进行与操作，
结果写回rd。

如：
addi x1,x0,0b11001100
addi x2,x0,0b00111111
xor x3,x1,x2
or x4,x1,x2
and x5,x1,x2
xori x6,x1,0b00111111
ori x7,x1,0b00111111
andi x8,x1,0b00111111

汇编器执行结果如下：

以上就是计划实现的37条指令的用法。下一篇文章开始设计处理器。