Day 16 - RISC-V ALU 指令 - iT 邦幫忙::一起幫忙解決難題，拯救 IT 人的一天

2023 iThome 鐵人賽

DAY 16

Software Development

從零開始的RISC-V ISA Simulator (Another Little RISC-V ISA Simulator)系列第 16 篇

Day 16 - RISC-V ALU 指令

15th鐵人賽

yoga57894

2023-10-01 21:07:27

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RV64IMA_zifencei_zicsr

我們先來盤點一下總共要實作的指令有哪些，以及指令的格式有哪些。

在那之前推薦兩個好用的網站，在後續實作時幫助很大，分別為

RISC-V Instruction Set Specifications
這個網站包含每個指令的解碼方式及實現方法，我們會以這個網站為標準去實現。
rvcode.js
這個網站可以輸入一個指令，並告訴我們這個指令是什麼，例如我們以之前的Entry point的那道指令"0x4197"為例，可以看到翻譯出來是auipc x3 4，非常方便。

切回正題，我們的目標是要能開沒有FPU(浮點數)，沒有MMU的Linux，根據mini-rv32，我們只要實現IMA指令就可以將Linux開起來，但實際上還需要再額外實現zifence.i及zicsr這兩個擴充。
而RISCV-I指令又可以簡單區分為 ALU指令(運算類)，CTRL指令(控制指令流程)，LS指令(load and store，記憶體相關)，以及其他(enviroment call......)，我們統計RVI在32bit下ALU有21道指令，分別為。

指令	行為
`lui(load upper immediate)`	讀取立即值到暫存內。
`auipc(add upper immediate to pc)`	讀取一個立即值，加上PC後存回暫存內。
`add`	將暫存內的值相加後存回暫存內。
`addi`	將暫存內的值加上一個立即值後存回暫存內。
`sub`	將暫存內的值相減後存回暫存內。
`and`	將暫存內的值做邏輯"與"運算後存回暫存內。
`andi`	將暫存內的值與一個立即值做邏輯"與"運算後存回暫存內。
`or`	將暫存內的值做邏輯"或"運算後存回暫存內。
`ori`	將暫存內的值與一個立即值做邏輯"或"運算後存回暫存內。
`xor`	將暫存內的值做邏輯"互斥或"運算後存回暫存內。
`xori`	將暫存內的值與一個立即值做邏輯"互斥或"運算後存回暫存內。
`sll(shift left logic)`	將暫存內的值邏輯左移後存回暫存內。
`slli(shift left logic immediate)`	將暫存內的值邏輯左移一個立即值後存回暫存內。
`srl(shift right logic)`	將暫存內的值邏輯右移後存回暫存內。
`srli(shift right logic immediate)`	將暫存內的值邏輯右移一個立即值後存回暫存內。
`sra (shift right arithmetic)`	將暫存內的值算數右移後存回暫存內。
`srai (shift right arithmetic immediate)`	將暫存內的值算數右移一個立即值後存回暫存內。
`slt(set less than)`	如果暫存A比暫存B小(有號)，則設另一暫存為1，反之則設為0。
`slti(set less than immediate)`	如果暫存A比立即值小，則設另一暫存為1，反之則設為0。
`sltu(set less than unsigned)`	如果暫存A比暫存B小(無號)，則設另一暫存為1，反之則設為0。
`sltiu(set less than unsigned immediate)`	如果暫存A比立即值小(無號)，則設另一暫存為1，反之則設為0。

而64bit則會需要額外支援以下9道指令，皆為64bit下要額外支援以32bit為單位進行操作下的指令。

指令	行為
`addw`	將暫存內的值相加後，以word(32bit)為單位存回暫存內。
`subw`	將暫存內的值相減後，以word(32bit)為單位存回暫存內。
`addiw`	將暫存內的值加上一個立即值後，以word(32bit)為單位存回暫存內。
`sllw`	將暫存內的值邏輯左移後，以word(32bit)為單位存回暫存內。
`slliw`	將暫存內的值邏輯左移後，以word(32bit)為單位存回暫存內。
`srlw`	將暫存內的值邏輯右移後，以word(32bit)為單位存回暫存內。
`srliw`	將暫存內的值邏輯右移後，以word(32bit)為單位存回暫存內。
`sraw`	將暫存內的值算數右移後，以word(32bit)為單位存回暫存內。
`sraiw`	將暫存內的值算數右移一個立即值後，以word(32bit)為單位存回暫存內。

我們可以發現，很多指令的行為是類似的，例如add和addi，區別只是在一個是以暫存內的值相加，另一個是加上立即值。實際上根據行為不同其對應的編碼也會有所不同，例如說要加上立即值的指令，會需要保留較大的空間給立即值使用，而以暫存去儲存值只要有足夠的位元數去儲存暫存器的編號即可，根據這些特點不同，RISC-V指令可簡單分為以下幾種編碼格式。

圖源

其中R和I分別對應上述的add, addi等以暫存或以立即值作為輸入的指令，U指的是lui，auipc等需要較多空間儲存立即值的指令，S是store指令的格式，B跟J則是CTRL指令的Branch以及Jump等指令的格式，可以先簡單記憶一下。接下來的兩天會將上述提到的ALU分為R-format及I-format，將這些指令完成，並再花三天將I extension內還未介紹的CTRL指令(控制指令流程)，LS指令(load and store，記憶體相關)，以及其他指令介紹並實作。

碎碎念 : 想說簡單介紹一下I extension的指令，結果不小心就篇幅太長了。接下來會是比較密集的實作，希望能盡量減少這樣長篇幅都是字的內容。