超大规模集成电路设计笔记：第三篇

RISC-V简介

寄存器

RV32/64I指令集定义了32个32/64位的通用整数寄存器x0～x31，其中x0固定用于存放数据0；寄存器位数决定了其可以访问的地址空间大小。

寄存器	别名	常见用途
`x1`	`ra`	返回地址 (Return Address)：`jal` 指令自动将返回地址存入此处。
`x2`	`sp`	栈指针 (Stack Pointer)：指向当前栈顶。
`x3`	`gp`	全局指针 (Global Pointer)：指向 2048 字节的小数据区（`.sdata`），用于高效访问小全局变量。
`x4`	`tp`	线程指针 (Thread Pointer)：用于线程本地存储（TLS）。
`x5`	`t0`	临时寄存器 (Temporary)：调用者保存（caller-saved）。
`x6`–`x7`	`t1`, `t2`	额外的临时寄存器。
`x8`	`s0` / `fp`	保存寄存器 / 帧指针：被调用者保存（callee-saved）。也可用作帧指针。
`x9`	`s1`	保存寄存器。
`x10`–`x17`	`a0`–`a7`	函数参数和返回值：传递前 8 个参数；`a0`/`a1` 也用于返回值。
`x18`–`x27`	`s2`–`s11`	保存寄存器：被调用者保存，适合存放局部变量。
`x28`–`x31`	`t3`–`t6`	临时寄存器。

指令组成

也可以看一下从零开始学RISCV：序篇

单周期RISC-V处理器

先从单周期的数据通路来看。

I-Type

lw的指令格式为I-Type：

1
2
3

[31:20]    [19:15]    [14:12]    [11:7]    [6:0]
imm        rs1        funct3     rd        op
12bits     5bits      3bits      5bits     7bits

首先从指令内存中取指，根据op决定是lw指令，随后从指令中拆分出寄存器地址rs1并读取对应地址的值，再将操作数imm从12位补全到32位，接着将两个值送进ALU进行运算，运算完后将结果输入数据内存进行读取，并写入目标寄存器rd，最后决定下一个指令的地址，为PC+4，送回PC寄存器。

S-Type

sw的指令格式为S-Type：

1
2
3

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

首先从指令内存中取指，根据op决定是sw指令，随后取出 rs1的源地址并在寄存器中读取，再将立即数imm拼接并拓展到32位，然后在ALU中计算出地址，并输入数据内存，将对应地址数据写入rs2，最后决定下一个指令的地址，为PC+4，送回PC寄存器。

R-Type

or的指令格式为R-Type：

1
2
3

[31:25]    [24:20]    [19:15]    [14:12]    [11:7]    [6:0]
imm[11:5]  rs2        rs1        funct3     rd         op
6bits      5bits      5bits      3bits      5bits     7bits

首先从指令内存中取指，根据op只能决定是R-Type指令，具体为什么指令还需要读取funct7和funct3。判断为or后，从rs1与rs2两个地址读取目标数据，不经过拓展，直接送入ALU进行比较，随后将结果写入到rd寄存器地址。