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一.介绍
指令系统：计算机语言中的单词成为指令，而这个词汇表就是指令系统。
指令集架构（ISA）
x86：传统pc市场的主流，善于处理大数据。
ARM：移动端设备（手机）市场，处理快数据为主。
RISC-V：当需要同时兼顾数据传输速度和传输量时，RISC-V更有优势。
更重要的是RISC-V是开源的。
二.计算机硬件的操作
主要包括：算术运算、逻辑运算、数据传输、移位操作、条件分支、无条件跳转。
数据存储模式：大端存储，小端存储。
大端：高位字节排放在内存的低地址端，低位字节排放在内存的高地址端。
小端：低位字节排放在内存的低地址端，高位字节排放在内存的高地址端。
设计原则：简单源于规整、优秀的设计需要适当的折中、更少则更快（寄存器数量太多可能会增加时钟周期）。
三.计算机中的指令表示
RISC-V常见指令表示：R型，I型，S型，B型，J型指令
R型：一般用于寄存器-寄存器操作。
I型：一般用于立即数访问和load操作。
S型：用于访存store操作。
B型：用于条件跳转操作。
J型：用于无条件操作。
R型：一般用于寄存器-寄存器操作。
funct7(7bit)rs2(5bit)rs1(5bit)funct3(3bit)rd(5bit)opcode(7bit)
funct7：操作码字段。
funct3：操作码字段。
rs2：第二个源操作数寄存器。
rs1：第一个源操作数寄存器。
rd：目的操作数寄存器，存放操作结果。
opcode：（操作码）指令的基本操作。
下面以add x9,x20,x21为例介绍。
00000001010110100000010010110011
01001：9 10100：20 10101：21
通过funct7，funct3，opcode来识别是一个R型加法指令
将x20寄存器中的值加上x21寄存器中的值相加的结果存放到x9寄存器中。
I型：一般用于短立即数和访存操作
immediate（12bit）rs1(5bit)funct3(3bit)rd(5bit)opcode(7bit)
注意：计算机中是以补码形式存储immediate;12位立即数。立即数范围-2^11到（(2^11)-1）(-2048到2047)
下面以lb x9，64（x22）介绍
lb x9,64(x22)
000001000000
10110
000
01001
0000011
000001000000 ：64 10110：22 01001：9
解释：将rs1地址偏移立即数位空间中的值存储到rd所指的寄存器空间中。
S型：用于访存store操作
immediate[11:5]（7bit）rs2（5bit）rs1（5bit）funct3（3bit）immediate[4:0]（5bit）
opcode（7bit）
个人理解这里的立即数为何这样存储：为了规整，将原本的rd用来存储立即数的低5位。
下面以sb x5,40(x6)介绍
sb x5,40(x6)
0000001
00101
00110
000
01000
0100011
000000101000:40 00101：5 00110：6
解释：将rs2寄存器中的值存储到rs1寄存器偏移立即数位地址中去。
B型：有条件分支
immediate[12,[10:5]]（7bit）rs2（5bit）rs1（5bit）funct3（3bit）
immediate[[4:1],11]（5bit）opcode（7bit）
注意：13位立即数，末尾始终为0；
B型立即数格式(末尾时钟为零）
imm[12]imm[11]imm[10:5]imm[4:1]0
下面以beq x5,x6,100为例
beq x5,x6,100
0000011
00110
00101
000
00100
1100011
代码中整理出的立即数
0000001100100
注意在使用b型指令时，代码末尾别忘了补个0（或者获取的立即数别忘了左移一位）。
解释：如果rs1和rs2寄存器中的值相等，则pc跳转到pc+immediate位置去，这是要重建流水线的。
J型：无条件跳转
immediate[20,[10:1],11,[19:12]]
(20bit)
rd
(5bit)
opcode
(7bit
J型立即数（20位）
immediate[20] immediate[19:12] immediate[11] immediate[10:1] 0
下面以jal x1,100为例
jal x1,100
00000110010000000000
00001
1101111
代码中立即数
000000000000001100100
写代码时，末尾补0别忘了
解释：将pc+4存储到rd寄存器中，同时pc跳转到pc+立即数位置去。
U型：格式和B型类似，20位大立即数操作
immediate[31:12]rdopcode
vfd
与J型区别在于立即数放的位置
下面以lui x1,0xf0000为例
lui x1,0xf0000
11110000000000000000
00001
0110111
解释：rd寄存器存储立即数 x1=0xf0000;
常见操作及其指令
1、算术运算指令
包括addi，slti，sltiu，add，sub，slt，sltu。
slt比较指令 指令后边加i 一般表示是指令中有立即数，而u表示有无符号。
immediate[11:0]rs1000rd0010011addi(I型)
immediate[11:0]rs1010rd0010011slti(I型)
immediate[11:0]rs1011rd0010011sltiu(I型)
0000000rs2rs1000rd0110011add(R型)
0100000rs2rs1000rd0110011sub(R型)
0000000rs2rs1010rd0110011slt(R型)
0000000rs2rs1011rd0110011sltu(R型)
2、移位指令
包括slli，srli，srai，sll，srl，sra。
注意立即数移位指令中立即数（shamt）的范围：（这里立即数是5位的立即数）具体如下表：
0000000shamtrs1001rd0010011slli(I型)
0000000shamtrs1101rd0010011srli(I型)
0100000shamtrs1101rd0010011srai(I型)
0000000rs2rs1001rd0110011sll(R型)
0000000rs2rs1101rd0110011srl(R型)
0100000rs2rs1101rd0110011sral(R型)
注意逻辑右移和算术右移是由区别的。
逻辑右移：数据向右移立即数位，空位填0。
算术右移：数据向右移立即数位，空位填最高位(符号位)。
为了区别这两个机器码的第30位用来作为判断。具体仔细观察上表。
3、逻辑操作指令
包括xori ，ori，andi，xor，or，and。
imm[11:0]rs1100rd0010011xori(I型)
imm[11:0]rs1110rd0010011ori(I型)
imm[11:0]rs1111rd0010011andi(I型)
0000000rs2rs1100rd0110011xor(R型)
0000000rs2rs1110rd0110011or(R型)
0000000rs2rs1111rd0110011and(R型)
小总结：算术运算，逻辑运算，移位运算这些基本运算指令一般都为R型或者I型指令
4、加载存储指令
包括lb，ln，lw，lbu，lhu，sb，sh，sw。
作用就是将数据从寄存器中取出来，或者存储到寄存器中去，不同在于每次取出多少（半字，字等）。
imm[11:0]rs1000rd0000011lb(I型)
imm[11:0]rs1001rd0000011lh(I型)
imm[11:0]rs1010rd0000011lw(I型)
imm[11:0]rs1100rd0000011lbu(I型)
imm[11:0]rs1101rd0000011lhu(I型)
imm[11:5]rs2rs1000imm[4:0]0100011sb(S型)
imm[11:5]rs2rs1001imm[4:0]0100011sh(S型)
imm[11:5]rs2rs1010imm[4:0]0100011sw(S型)
5、控制转移指令
主要是一些跳转指令：beg，bne，blt，bge，bltu，bgeu，jalr，jal。
imm[12]imm[10:5]rs2rs1000imm[4:1]imm[11]1100011beq(B型)
imm[12]imm[10:5]rs2rs1001imm[4:1]imm[11]1100011bne(B型)
imm[12]imm[10:5]rs2rs1100imm[4:1]imm[11]1100011blt(B型)
imm[12]imm[10:5]rs2rs1101imm[4:1]imm[11]1100011bge(B型)
imm[12]imm[10:5]rs2rs1110imm[4:1]imm[11]1100011bltu(B型)
imm[12]imm[10:5]rs2rs1111imm[4:1]imm[11]1100011bgeu(B型)
imm[11:0]rs1000rd1100011jalr(I型)
imm[20]imm[10:1]imm[11]imm[19:12]rd1100011jal(J型)
注意上述立即数存储方式，在上面的B型指令讲解中有提到。
总结
资源里有我使用FPGA写的一个基于RISC-V的单周期CPU。目前不具备流水线，后续准备写一个5级流水的单周期处理器，同样会发布到博客上。希望大家评论给出意见。