Chapter 2

RISC-V 指令

小端:低位放在地址较小处;大端相反

Registers

Name	Register name	usage	preserved on call?
x0	0	Constant value 0
x1(ra)	1	return address(link register)	yes
x2(sp)	2	stack pointer	yes
x3(gp)	3	global pointer	yes
x4(tp)	4	thread pointer	yes
x5-x7	5-7	temporaries	no
x8-x9	8-9	saved	yes
x10-x17	10-17	arguments/results	no
x18-x27	18-27	saved	yes
x28-x31	28-31	temporaries	no

Data Path

R-type

内部结构

7bits	5bits	5bits	3bits	5bits	7bits
^31^funct7^25^	^24^rs2^20^	^19^rs1^15^	^14^funct3^12^	^11^rd^7^	^6^opcode^0^

具体指令

opcode = 0110011

不包含立即数的所有整数计算指令，一般表示寄存器-寄存器操作的指令,如:

• add,sub,and,or,nor,sll,srl,sra,slt,sltu

Data_Path

机器码转换

add x9,x20,x21 -> 0000000 10101 10100 000 01001 0110011 = 0x015A04B3

7bits	5bits	5bits	3bits	5bits	7bits
0000000	10101(21)	10100(20)	000	01001	0110011

由于二进制太长,我们通常用十六进制表示

I-type

内部结构

12bits	5bits	3bits	5bits	7bits
^31^immediate[11:0]^20^	^19^rs1^15^	^14^funct3^12^	^11^rd^7^	^6^opcode^0^

具体指令

opcode = 0010011,0000011,1100111 相当于将 R-typed 指令格式中的一个操作数改为立即数,如:

• 算术型(0010011):addi,xori,ori,andi,slli,srli,srai,slti,sltiu : addi rd,rs1,imm

• load型(0000011):lb,lh,lv,lbu,lhu : lb rd,imm(rs1):从内存读8bit数据,内存地址=rs1 + imm,数据写入rd

• store型(1100111):jalr : jalr rd,imm(rs1):rd存储返回地址(pc + 4),然后跳转到新地址(rs1 + imm)

立即数生成

imm = {{20{inst[31]}},inst[31:20]}

Data_Path

load型

S-type

内部结构

7bits	5bits	5bits	3bits	5bits	7bits
^31^immediate[11:0]^25^	^24^rs2^20^	^19^rs1^15^	^14^funct3^12^	^11^immediate[4:0]^7^	^6^opcode^0^

具体指令

opcode = 0100011 一般表示访存store指令,如:

• sw(存储字),sh(半字),sb(字节) : sb rs2,imm(rs1):将rs2低8位写入内存,内存地址 = rs1 + imm

Data_Path

立即数生成

imm = {{20{inst[31]}},inst[32:25],inst[11:7]}

B-type

内部结构

7bits	5bits	5bits	3bits	5bits	7bits
^31^immediate[12,10:5]^25^	^24^rs2^20^	^19^rs1^15^	^14^funct3^12^	^11^immediate[4:1,11]^7^	^6^opcode^0^

具体指令

opcode = 1100011 一般表示条件跳转指令,如:

• beq(相等),bne(不相等),bge(大于等于),bgeu,blt(小于),bltu : beq rs1, rs2, imm:比较rs1和rs2的值,相等则跳转到新地址(imm),不相等则执行下一条指令(pc = pc + 4)

Data_Path

立即数生成

imm = {{19{inst[31]}},inst[31],inst[7],inst[30:25],inst[11:8],1'b0}

J-type

内部结构

20bits	5bits	7bits
^31^immediate[20,10:1,11,19,12]^12^	^11^rd^7^	^6^opcode^0^

具体指令

opcode = 1101111

一般表示无条件跳转指令,如:

• jal(jal rd,label):将当前指令的下一条地址(pc + 4)存储到rd,然后跳转到label

Data_Path

立即数生成

imm = {{11{inst[31]}},inst[31],inst[19:12],inst[20],inst[30:21],1'b0}

U-type

内部结构

20 bits	5 bits	7 bits
^31^immediate[31 : 12]^12^	^11^rd^7^	^6^opcode^0^

具体指令

opcode = 0110111,0010111 一般表示长立即数操作指令,如:

• lui(0110111,lui x5, imme[4:0]):将立即数左移12位,并将低12位置0,将结果写回目的寄存器

• auipc(0010111,auipc x1,imme[4:0]):将PC高20位加上imme存储到x1

立即数生成

imm = {inst[31:12],12'b0}