指令
RISC-V 的基础指令分为RISU四种类型。基于对立即数的处理，还有两个指令格式的变体BJ。
R-Type 寄存器类型
R-type 的 OPCODE 均为0010011。指令分类，根据funct3先进行一次区分，再根据funct7进行一次判断。
比如，对于ADD/SUB/MUL，其funct3均为3'h0。因此，还需要再对funct7进行判断：
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
| `OPCODE_RTYPE: begin
branch_cancel <= 0;
jalr_cancel <= 0;
rd_ptr_out <= rd;
imm_val_out <= 32'b0;
using_imm_out <= 'b0;
case (funct3)
`FUNCT3_ADD_SUB_MUL: alu_op_out <= inst_in[25]?`ALU_MUL:inst_in[30] ? `ALU_SUB : `ALU_ADD;
`FUNCT3_OR_REM: alu_op_out <= inst_in[25]?`ALU_REM:`ALU_OR;
`FUNCT3_XOR_DIV: alu_op_out <= inst_in[25]?`ALU_DIV:`ALU_XOR;
`FUNCT3_SLL_MULH: alu_op_out <= inst_in[25]?`ALU_MULH:`ALU_SLL;
`FUNCT3_SRL_SRA_DIVU: alu_op_out <= inst_in[25]?`ALU_DIVU:inst_in[30] ? `ALU_SRA : `ALU_SRL;
`FUNCT3_SLT_MULHSU: alu_op_out <= inst_in[25]?`ALU_MULHSU:`ALU_SLT;
`FUNCT3_SLTU_MULHU: alu_op_out <= inst_in[25]?`ALU_MULHU:`ALU_SLTU;
`FUNCT3_REMU: alu_op_out <= `ALU_REMU;
default:begin
alu_op_out <= `ALU_NOP;
trapped <= 1;
trap_value <= 0;
trap_cause <= 2;
end
endcase
end
|
I-Type 立即数类型
I-Type 的 OPCODE 均为0010011。对于ADDI/ANDI/ORI/XORI四个指令，其立即数为12位，而对于SLLI/SRLI/SRAI三个移位指令，其立即数为五位，高七位的值是固定的。
因此，对于ADDI/ANDI/ORI/XORI这四个指令，先判断OPCODE，再判断funct3；对于移位指令，则还需判断立即数高位imm[10]：
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
| `OPCODE_ITYPE: begin
branch_cancel <= 0;
jalr_cancel <= 0;
rd_ptr_out <= rd;
imm_val_out <= {4'b0, inst_in[31:20]};
using_imm_out <= 'b1;
case (funct3)
`FUNCT3_ADD_SUB_MUL: alu_op_out <= `ALU_ADD;
`FUNCT3_OR_REM: alu_op_out <= `ALU_OR;
`FUNCT3_XOR_DIV: alu_op_out <= `ALU_XOR;
`FUNCT3_SLL_MULH: alu_op_out <= `ALU_SLL;
`FUNCT3_SRL_SRA_DIVU: alu_op_out <= inst_in[30] ? `ALU_SRA : `ALU_SRL;
`FUNCT3_SLT_MULHSU: alu_op_out <= `ALU_SLT;
`FUNCT3_SLTU_MULHU: alu_op_out <= `ALU_SLTU;
default:begin
alu_op_out <= `ALU_NOP;
trapped <= 1;
trap_value <= 0;
trap_cause <= 2;
end
endcase
end
|
S-Type 存储类型
加载和存储指令在寄存器和内存之间传输一个值。加载指令的指令格式与 I-Type 一致，OPCODE为0000011，存储指令则是 S-Type ，OPCODE为0100011。
其中，为了保持funct3与rs1的位置不变，存储指令的12位立即数被拆分为两段。
这里其实写的不规范，应当合并起来。不过为了方便看，暂且将 S-Type 分为 Store 和 Load，毕竟两个的OPCODE不一致。
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
| `OPCODE_LTYPE: begin
branch_cancel <= 0;
jalr_cancel <= 0;
rd_ptr_out <= rd;
imm_val_out <= {20'b0,inst_in[31:25],inst_in[11:7]};
using_imm_out <= 'b1;
case (funct3)
`FUNCT3_LB: alu_op_out <= `MEM_LB;
`FUNCT3_LBU: alu_op_out <= `MEM_LBU;
`FUNCT3_LH: alu_op_out <= `MEM_LH;
`FUNCT3_LHU: alu_op_out <= `MEM_LHU;
`FUNCT3_LW: alu_op_out <= `MEM_LW;
default:begin
alu_op_out <= `ALU_NOP;
trapped <= 1;
trap_value <= 0;
trap_cause <= 2;
end
endcase
end
`OPCODE_STYPE: begin
case (funct3)
`FUNCT3_SB: alu_op_out <= `MEM_SB;
`FUNCT3_SH: alu_op_out <= `MEM_SH;
`FUNCT3_SW: alu_op_out <= `MEM_SW;
default:begin
alu_op_out <= `ALU_NOP;
trapped <= 1;
trap_value <= 0;
trap_cause <= 2;
end
endcase
end
|
其中LW就是 LoadWord ，LH就是 LoadHalfWord ，LB就是 LoadByte 。
B-Type 分支类型
所有的条件分支指令使用 B-Type 指令格式，12 位 B 立即数以 2 字节的倍数编码符号偏移量。偏移量是符号扩展的，加到分支指令的地址上以给出目标地址。
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
| `OPCODE_BTYPE: begin
if(jalr_cancel)jalr_cancel <= 0;
rd_ptr_out <= rd;
imm_val_out <= {{21{inst_in[31]}}, inst_in[7], inst_in[30:25], inst_in[11:8], 1'b0};
using_imm_out <= 'b1;
alu_op_out <= `ALU_NOP;
case (funct3)
`FUNCT3_BEQ: branch_cancel <= rs1_val == rs2_val ;
`FUNCT3_BNE: branch_cancel <= rs1_val != rs2_val ;
`FUNCT3_BLT: branch_cancel <= $signed(rs1_val) < $signed(rs2_val) ;
`FUNCT3_BGE: branch_cancel <= $signed(rs1_val) >= $signed(rs2_val) ;
`FUNCT3_BLTU: branch_cancel <= rs1_val < rs2_val ;
`FUNCT3_BGEU: branch_cancel <= rs1_val >= rs2_val ;
default:begin
alu_op_out <= `ALU_NOP;
trapped <= 1;
trap_value <= 0;
trap_cause <= 2;
end
endcase
end
|
U-Type 上部立即数类型
上部立即数类型的指令将高位立即数加载到寄存器中，或基于高位立即数进行地址计算。
一共有两条指令属于 U-Type 。LUI的OPCODE为0110111，而AUIPC的OPCODE为0010111。
LUI把 32 位的上部立即数放进目标寄存器rd中，并把最低的 12 位填充为零。该 32 位结果被符号扩展到 64 位。
AUIPC从上部立即数形成 32 位偏移量，并把最低的 12 位填充为零，把结果符号扩展到 64 位，把它加到AUIPC指令的地址，然后把结果放进寄存器rd中。
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
| `OPCODE_UTYPE: begin
branch_cancel <= 0;
jalr_cancel <= 0;
rd_ptr_out <= rd;
imm_val_out <= {{12{inst_in[31]}},inst_in[31:12]};
using_imm_out <= 'b1;
alu_op_out <= `ALU_ADD;
ready_go_q <= 1'b1;
rd_valid <= 1'b1;
csr_valid <= 1'b0;
mem_en <= 0;
id_is_load <= 1'b0;
end
|
J-Type 跳转类型
J-Type 指令是无条件跳转指令。J 立即数以 2 字节的倍数编码一个有符号的偏移量。偏移量是符号扩展的，加到当前跳转指令的地址上以形成跳转目标地址。
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
| `OPCODE_JTYPE: begin
branch_cancel <= 0;
jalr_cancel <= 0;
rd_ptr_out <= rd;
imm_val_out <= pc_in;
using_imm_out <= 'b1;
alu_op_out <= `ALU_RIGHT;
ready_go_q <= 1'b1;
rd_valid <= 1'b0;
csr_valid <= 1'b0;
mem_en <= 0;
id_is_load <= 1'b0;
end
`OPCODE_JALR: begin
branch_cancel <= 0;
rd_ptr_out <= (rd == 0) ? 1 : rd;
jalr_addr <= rs1_val + {{20{inst_in[31]}},inst_in[31:20]};
imm_val_out <= pc_in;
using_imm_out <= 'b1;
alu_op_out <= `ALU_RIGHT;
jalr_cancel <= 1'b1;
ready_go_q <= 1'b1;
rd_valid <= 1'b1;
csr_valid <= 1'b0;
mem_en <= 0;
id_is_load <= 1'b0;
end
|
这里之所以要分开是因为JAL和JALR的指令格式与OPCODE都不同。
