SI100B EE Part Project · Tutorial 2

RISC-V Instruction Overview

@Yunxiang He, heyx1@shanghaitech.edu.cn
@Quanyu Chen, chenqy2022@shanghaitech.edu.cn
@Yongzhi Zhang, zhangyz2022@shanghaitech.edu.cn
@Chaofan Li, lichf1@shanghaitech.edu.cn
@Qihan Ding, dingqh@shanghaitech.edu.cn

Contents

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1. Document Overview

1. Document Overview

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Document Statement

这是我们第一次撰写类似文档。如果你认为有任何描述不清晰的部分（不包括知识性问题），你可以直接联系助教，我们会尽快进行调整和修改。
在第三周之后，我们会发布最终文档，一切以最终文档为准。

SI100B EE Part Project：miniCPU Tutorial 2 Dec.13 2024

2. RISC-V Instruction

2. RISC-V Instruction

这节课我们首先介绍 RISC-V 指令集中最基本的两种指令格式：R-Type 和 I-Type。

  • R-Type 指令：Register Type，用于寄存器之间的运算。
  • I-Type 指令：Immediate Type，用于立即数和寄存器之间的运算。

这节课中，我们会举一些例子，带大家熟悉这两种指令的使用方式和格式。

SI100B EE Part Project：miniCPU Tutorial 2 Dec.13 2024

2. RISC-V Instruction

  • 下图位 RISC-V 的指令格式。
    • 每一行表示一个 32 位的指令类型。
    • 上面标的数字是指令的每个字段和其对应的位数。
  • 右图为 RISC-V 的指令集。
    • 每一行表示一个指令。
    • 这部分表格则主要描述了指令的具体功能，和其对应的字段的值。

#c

SI100B EE Part Project：miniCPU Tutorial 2 Dec.13 2024

3. R-Type Instructions

3. R-Type Insturctions

R-Type 的字段格式

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

作为执行寄存器之间的运算的指令，R-Type 指令的指定 rs1 和 rs2 两个寄存器，然后将运算结果存储到 rd 寄存器中。

R-Type 的字段内容细节

字段 位数 描述
funct7 7 bits 功能码，用于指定具体的操作类型
rs2 5 bits 源寄存器2
rs1 5 bits 源寄存器1
funct3 3 bits 功能码，用于指定操作类型
rd 5 bits 目标寄存器，存储运算结果
opcode 7 bits 操作码，指定指令类型
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3. R-Type Instructions

Example: and 指令

and x10, x1, x7
  • opcode：0110011 (R-Type); funct3：111 (and); funct7：0000000
  • rs1：00001 (x1); rs2：00111 (x7); rd：01010 (x10)
31-25 24-20 19-15 14-12 11-7 6-0
funct7 rs2 rs1 funct3 rd opcode
0000000 00111 00001 111 01010 0110011
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4. I-Type Instructions

4. I-Type Instructions

I-Type 的字段格式

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

I-Type 指令用于立即数和寄存器之间的运算。这种指令的格式中，rs1 为源寄存器，imm 为立即数，rd 为目标寄存器。

  • 立即数：立即数是在立即寻址方式指令中给出的数，通常用于指定一个常数。

I-Type 的字段内容细节

字段 位数 描述
imm 12 bits 立即数
rs1 5 bits 源寄存器1
funct3 3 bits 功能码，用于指定操作类型
rd 5 bits 目标寄存器，存储运算结果
opcode 7 bits 操作码，指定指令类型
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4. I-Type Instructions

Example: addi 指令

addi x10, x1, 10
  • opcode：0010011 (I-Type); funct3：000 (addi)
  • rs1：00001 (x1); imm：000000000010 (10); rd：01010 (x10)
  • 注意：imm 是 12 位的有符号数，所以需要进行符号扩展，其二进制表示是 000000000010
31-20 19-15 14-12 11-7 6-0
imm [11:0] rs1 funct3 rd opcode
000000000010 00001 000 01010 0010011
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5. Example

5. Example: An RISC-V Program

初始状态

按顺序执行以下指令：

addi x1, x2, -1
or x2, x2, x1
add x3, x1, x2
slt x4, x3, x1
sra x5, x3, x4
sub x0, x5, x4

右图为程序执行过程中寄存器的状态

#c

SI100B EE Part Project：miniCPU Tutorial 2 Dec.13 2024

5. Example: An RISC-V Program

addi x1, x2, -1

  • 将 x2 的值加上 -1，存入 x1 中
  • x2 的初始值为 0，所以 x1 的值为 -1
  • -1 的三十二位二进制表示为 0xFFFFFFFF

#c

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5. Example: An RISC-V Program

or x2, x2, x1

  • 将 x2 和 x1 的值进行OR 运算，存入 x2 中
  • x2 的值为 0
  • x1 的值为 -1
  • 所以 x2 的值为 0xFFFFFFFF

#c

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5. Example: An RISC-V Program

add x3, x1, x2

  • 将 x1 和 x2 的值相加，存入 x3 中
  • x1 的值为 -1
  • x2 的值为 -1
  • 所以 x3 的值为 -2
  • -2 的三十二位二进制表示为 0xFFFFFFFE，即 x3 的值

#c

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5. Example: An RISC-V Program

slt x4, x3, x1

  • 将 x3 和 x1 的值进行
    有符号数的大小比较，如果 x3 小于 x1，则 x4 的值为 1，否则为 0
  • x3 的值为 -2
  • x1 的值为 -1
  • 所以 x4 的值为 1
  • 值得注意的是，如果是无符号数的比较，那么 slt 指令会被替换为 sltu 指令，此时结果为 0

#c

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5. Example: An RISC-V Program

srl x5, x3, x4

  • 将 x3 的值逻辑右移 x4 位，存入 x5 中
  • x3 的值为 -2（0xFFFFFFFE）
  • x4 的值为 1
  • 所以 x5 的值为 0x7FFFFFFF
  • 值得注意的是逻辑右移和算术右移的区别：
    • 逻辑右移在左边补 0
    • 算术右移在左边补符号位

#c

SI100B EE Part Project：miniCPU Tutorial 2 Dec.13 2024
SI100B EE Part Project · Tutorial 2

@ Presented by Yunxiang He
@ ShanghaiTech University

SI100B EE Part Project：miniCPU Tutorial 2 Dec.13 2024

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