从零开始实现一个基于RISC-V的流水线处理器 (1) ：RISC-V指令集架构详解

基于RISC-V的流水线处理器

RISC-V是一个基于精简指令集原则的开源指令集架构。它由加州大学伯克利分校的David Patterson教授领导下的小组完成，至今已成为RISC处理器中一股强劲的新生力量。

至今github上已有多款优秀的基于RISC-V指令集的微处理器项目被发布，如蜂鸟E203、RocketChip等，但它们所涉及的知识层级较深，初学者很难迅速上手。而CSDN上也没有找到类似的RISC-V处理器的项目，因此笔者决定从零开始，由基础指令集做起，实现一款基于RISC-V指令集的微处理器。

RISC-V指令集

实现一款处理器，首先也是最重要的就是要确定处理器的指令集架构。

RISC-V指令集可以分为以下几个子集：

• RV32I：基本整数集，包括整数计算指令，LOAD/STORE，以及控制指令。RV32I拥有32位寻址空间，32个32位寄存器。
• RV32E：指令与RV32I相同，但是寄存器数量变为16个，用于嵌入式环境。
• RV64I：整数指令，拥有64位寻址空间，32个64位寄存器。
• RV128I：整数指令，拥有128位寻址空间，32个128位寄存器。

上述子集是RISC-V的基本指令集。在实际设计中，我们可以根据需要加入如下的扩展指令集：

• M：标准乘法和除法扩展，增加了乘法和除法的指令，并把结果保存在整数寄存器。
• A：标准原子指令扩展，增加了原子的读，修改，以及写存储器的指令。
• F：标准单精度浮点扩展，增加了浮点寄存器，单精度计算指令，以及单精度的LOAD/STORE指令。
• D：标准双精度浮点扩展，同样增加了浮点寄存器，且增加了双精度计算指令，双精度的LOAD/STORE指令。

上述均为RISC-V基金会认证的扩展指令集，此外还有V/P/T等处于草稿修改阶段的扩展指令集，这里就不再赘述了。

RV32I

在本次设计中，我们要实现的是基于最基本的整数指令集——RV32I的微处理器。就让我们从RV32I的具体指令格式看起。

下图展示了RV32I的基本指令格式。为了简化译码过程，源寄存器（rs1 和 rs2）和目标寄存器（rd）在RISC-V ISA 的所有指令格式中的位置保持一致。立即数被压缩在指令中最左边的可用位，并已经分配好，从而降低硬件复杂度。特别的，对于所有的立即数，指令的 31 位总是符号位，这样可以加速符号扩展电路。

下面我们将对各类型的指令进行具体的解释。

R-Type

R-Type的指令为寄存器-寄存器指令，其格式如下图所示。R-Type指令的特点是2个源操作数和目标操作数对象都是寄存器，在实际执行过程中需要经历寄存器的写回。

Instruction	Description	Format	Comment
ADD		ADD rd, rs1, rs2	rd = rs1 + rs2，忽略溢出，保留低32bit
SUB		SUB rd, rs1, rs2	rd = rs1 - rs2，忽略溢出，保留低32bit
AND		AND rd, rs1, rs2	rd = rs1 & rs2，按位与
OR		OR rd, rs1, rs2	rd = rs1 | rs2，按位或
XOR		XOR rd, rs1, rs2	rd = rs1 ^ rs2， 按位异或
SLT	set less than	SLT rd, rs1, rs2	if (rs1 < rs2) rd = 1 else rd = 0
SLTU	set less than unsigned	SLTU rd, rs1, rs2	if((unsigned)rs1 < (unsigned)rs2) rd = 1 else rd = 0
SLL	shift left logical	SLL rd, rs1, rs2	rd = rs1 << rs2 [4 : 0]，逻辑左移，低位补零，rs2的lower 5 bits作为偏移量
SRL	shift right logical	SRL rd, rs1, rs2	rd = rs1 >> rs2 [4 : 0]，逻辑右移，高位补零，rs2的lower 5 bits作为偏移量
SRA	shift rignt arithmetric	SRA rd, rs1, rs2	rd = rs1 >> rs2 [4 : 0]，算数右移，高位补符号位，rs2的lower 5 bits作为偏移量
NOP	no operation	NOP	不进行任何操作，相当于ADDI x0, x0, 0

I-Type

I-Type的指令为寄存器-立即数指令，其指令格式如下图所示。R-Type指令中rs2和funct7的位置在I-Type指令中被imm替代，指令仅靠funct3来确定具体指令类型。

imm是一个12位的立即数，在与32位的寄存器进行逻辑运算时必须进行符号位扩展。同样地，I-Type指令也要经历寄存器的写回。

Instruction	Description	Format	Comment
ADDI	add immediate	ADD rd, rs1, imm	rd = rs1 + (sign-extended) imm，忽略溢出，保留低32bit
ANDI	and immediate	AND rd, rs1, imm	rd = rs1 & (sign-extended) imm，按位与
ORI	or immediate	OR rd, rs1, imm	rd = rs1 | (sign-extended) imm，按位或
XORI	xor immediate	XOR rd, rs1, imm	rd = rs1 ^ (sign-extended) imm， 按位异或
SLTI	set less than immediate	SLT rd, rs1, imm	if (rs1 < (sign-extended) imm) rd = 1 else rd = 0
SLTIU	set less than unsigned immediate	SLTU rd, rs1, imm	if((unsigned)rs1 < (unsigned)imm) rd = 1 else rd = 0

对于移位指令，使用立即数的低5位作为偏移量，高7位也作为判断具体指令的操作码，如下图所示。

Instruction	Description	Format	Comment
SLLI	shift left logical	SLL rd, rs1, imm	rd = rs1 << shamt，逻辑左移，低位补零
SRLI	shift right logical	SRL rd, rs1, imm	rd = rs1 >> shamt，逻辑右移，高位补零
SRAI	shift rignt arithmetric	SRA rd, rs1, imm	rd = rs1 >> shamt，算数右移，高位补符号位

J-Type

J-Type指令为无条件跳转指令，主要功能是更改PC的指向地址，让处理器在下一个时钟上升沿在指定的地址中取指令。

JAL的指令格式如下图所示。对于JAL，使用一个20位的有符号立即数作为偏移量，目标地址为pc + offset，并把原pc + 4的地址存入rd。

JALR的指令格式如下图所示。对于JALR，其使用的指令格式是I-Type的指令格式，使用一个12位的有符号立即数作为偏移量，目标地址为pc + offset后把LSB置为0后的结果，并把原pc + 4的地址存入rd。

由此，我们可以写出下表的指令。

Instruction	Description	Format	Comment
JAL	jump and link	JAL rd, offset	pc += (sign-extended) offset, rd = pc + 4
JALR	jump and link register	JALR rd, rs1, offset	pc = [rs + (sign-extended) offset] &~ 1, rd = pc + 4
JR	jump register	JR rs1	pc = rs1

B-Type

B-Type指令为条件分支指令，仅在满足条件的情况下进行跳转，跳转的偏移量由一个12位的立即数给出。其指令格式如下图所示。

Instruction	Description	Format	Comment
BEQ	branch equal	BEQ rs1, rs2, offset	if (rs1 == rs2) pc += (sign-extended) offset
BNE	branch not equal	BNE rs1, rs2, offset	if (rs1 != rs2) pc += (sign-extended) offset
BLT	branch less than	BLT rs1, rs2, offset	if (rs1 < rs2) pc += (sign-extended) offset
BGE	branch bigger than or equal	BGE rs1, rs2, offset	if (rs1 >= rs2) pc += (sign-extended) offset
BGEU	branch bigger than or equal unsigned	BGEU rs1, rs2, offset	if((unsigned) rs1 >= (unsigned) rs2) pc += (sign-extended) offset

Load & Store

在RV32I中，只有Load & Store指令拥有访问内存的权限。RV32I提供32-byte的寻址空间。

下图展示了Load & Store指令的具体格式。可以注意到，Load指令使用的是I-Type指令的格式，而Store指令使用的是S-Type指令的格式。Load和Store指令的偏移量均由一个12位的立即数给出，但是它们在指令中的位置不同，这是由指令的功能决定的：Load指令需要将内存中的数据转移到寄存器组，因此需要提供目标寄存器；而Store指令需要将寄存器组中的数据转移到内存，因此需要rs1提供内存中将要写入数据的地址，rs2提供需要转移的数据。

Load指令和Store指令的目标地址由rs1 + 符号位扩展的偏移量给出。当指令为LH/LB时，从内存的指定地址中取低16位/低8位，进行符号位扩展后存入rd。而当指令为LW时，直接从内存中取4字节的数据存入rd。

Instruction	Description	Format	Comment
LW	load word	LW rd, rs1, offset	rd = mem[rs1 + (sign-extended) offset] [31:0]
LH	load half	LH rd, rs1, offset	rd = (sign-extended) mem[rs1 + (sign-extend) offset)] [15:0]
LB	load byte	LB rd, rs1, offset	rd = (sign-extended) mem[rs1 + (sign-extend) offset)] [7:0]
LBU	load byte unsigned	LBU rd, rs1, offset	rd = (zero-extended) mem[rs1 + (sign-extend) offset)] [7:0]
SW	store word	SW rs1, rs2, offset	mem[rs1 + (sign-extend) offset)] = rs2

总结

至此，RV32I中基本指令的说明告一段落。

然而，这些说明并不完整——RV32I中还有FENCE指令、Environment Call and Breakpoints指令、HINT指令等尚未提及，这些指令对于本次的设计来说过于复杂，由于本设计完成的处理器仅包括基本的运算及存储功能，因此在这里就将对这些指令的描述略去了。感兴趣的读者可以通过这个链接下载RISC-V的中文手册，或自行下载英文原版手册，对其进行深入阅读。

后记

RISC-V作为一个新兴的RISC架构，在具体的实现中博采众长，真正做到了对其他早期RISC架构的“取其精华，去其糟粕”。例如，RISC-V取消了MIPS-32 ISA中的延迟分支，单纯依靠现代已经相当发达的硬件预测器预测分支结果，实现了架构和具体实现的分离，使得指令集和芯片具体实现的分离成为可能。

芯片商可以采用统一的、免费的开放指令集，但各个厂商可以有各自的内部模块实现，并可以申请专利予以保护。这样既可以构建同一个软件生态系统，又保持了芯片企业之间的独立性。

对于笔者而言，RISC-V和MIPS的区别不仅在于指令中各元素位置的变化，更在于其精心设计的、称得上优雅的具体指令集架构和强大的可扩展性。RV32I中在rs1和rd之间插入一个3 bit的funct，在I-Type的指令中使用12位而非16位的立即数，想必也是从可扩展性的角度考虑得来的结果。

笔者同样作为一个RISC-V的初学者，对于指令集的理解难免有纰漏或错误的地方，欢迎大家对笔者的文章进行批评指正，也欢迎大家与笔者进行交流。