我们已经实现了sCPU，可以计算数列求和，但是这个处理器确实让我们对处理器如何工作有着更为深入的认识。但由于限制，不能运行复杂的程序，由于其指令集的宽度，PC的数量，GPR的位宽，指令的功能。所以，在接下来我们要实现一个功能完备的RISC-V处理，可以运行更多的程序。

Just for fun! let’s go!

迷你RISC-V指令集

RISC-V是近十年流行起来的开放指令集架构, 它采用模块化的思想, 把指令划分成不同模块。除了基础指令集RV32I, 还有各种指令扩展, 包括乘除扩展, 浮点扩展, 原子操作扩展等. 开发者可以根据自身需求选择一个或多个扩展, 也可以一个扩展都不选, 这种灵活性受到了开发者的喜爱.

RV32I共有42条指令, 通过实现RV32I, 处理器已经足够完成绝大部分的计算工作. 不过为了进一步降低开发的工作量, 我们提出了一个”迷你RISC-V”指令集minirv, 从RV32I中选出了8条指令, 用它们来替代其他RV32I指令的功能, 使得RV32I能完成的工作, minirv也能完成. 这样, 我们就不必实现完整的42条RV32I指令, 也能让处理器运行更复杂的程序了.

RTFM

查阅RISC-V手册的目录, 你发现RV32I在哪一章进行介绍? 尝试在该章节中查阅RV32I的相关内容, 回答下列问题: 第二章

  1. PC寄存器的位宽是多少?
  2. GPR共有多少个? 每个GPR的位宽是多少?
  3. R[0]和sISA的R[0]有什么不同之处?
  4. 指令编码的位宽是多少? 指令有多少种基本格式?
  5. 在指令的基本格式中, 需要多少位来表示一个GPR? 为什么?
  6. add指令的格式具体是什么?
  7. 还有一种基础指令集称为RV32E, 它和RV32I有什么不同?

接下来是我们的答案

  1. PC寄存器，其位宽为32位
  2. 32个32位宽的GPR
  3. 就是R【0】代表第一个寄存器，这一个寄存器的值永远为32个0，是一个RISC中的非常经典且美观的设计
  4. 指令编码位宽是32位，有4钟基本格式
  5. 5位来表示一个GPR，因为我们只有32个32位的寄存器
  6. 是一种R-type
  7. 指令精简，PC只有16个

了解RISC-V指令集的一些细节之后, 我们就可以给出minirv这一ISA的规范了, 具体如下:

只有两条指令的minirv处理器

  • PC初值为0
  • GPR数量与RV32E中定义的GPR数量一致，即为16个
  • 支持如下8条指令: add, addi, lui, lw, lbu, sw, sb, jalr
  • 其他的ISA细节与RV32I相同

minirv有8条指令, 我们先实现其中的两条: addi, jalr. 首先考虑addi指令.

RTFM（2）

查阅RISC-V手册, 找到addi指令的编码和相应的功能描述. 在第34章RV32/64G Instruction Set Listings中有一些指令表, 可以帮助你查阅addi指令的编码.

通过阅读第34章，我们可以找到：指令集的基本格式
image.png

RTFM（3）

为了了解RISC-V对存储器的若干约定, 你需要阅读RISC-V手册第1.4节的第一段, 从ISA的层面了解存储器的规格, 尤其是宽度的定义.

我们的寄存器位宽有32位，所以最后我们地址空间最后有二的32次方大小，接下来说的我不是很懂，先进行记录一下：
image.png
操作码编码较为稀疏, 使用译码器反而会带来一些不便. 因此, 我们建议你使用比较器, 直接比较指令中的操作码字段是否与addi指令的编码一致, 来进行译码操作. 例如, 可以通过以下操作判断一条指令是否为addi指令:

RTFM（4）

查阅RISC-V手册, 找到jalr指令的编码和相应的功能描述.

image.png
找到了但没有很看懂

实现两条minirv处理器

这是我们搭建的GPR堆，包含16组32位寄存器，写入为单路，由wdata和waddr控制，输出由raddr1和raddr2两个输入控制。同时我们为以后预留了复位端，用以清空寄存器.
我们来缕一缕需要实现的两条指令：
ADDI： R[rd] = R[rs1] + extend(imm)

  • 需要一个加法器，实现立即数与内存读取数据的相加
  • 需要先读取立即数
  • 需要打开写使能端
    jalr：R[rd] = PC + 4； PC = R[rs1] + extend(imm)
  • 需要读取当前PC值，加四传入rd，并且通过mux，写入wdata
  • 和ADDI一样，做一个加法器获取值，但是传入PC，由jalr信号控制的mux控制，传入PC
    image.png

image.png
我们看到这个典型的结构，对于一个RISC-V架构，JALR命令就是上述的格式，opcode为1100111，ADDI命令也是上述的格式，opcode为0010011。我还是没有非常的理解jalr指令的具体的意义。
image.png
我们要对于这个minirv进行一些检测
首先，我们需要设计一个测试集，我们检验addi和jalr这两个指令

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00000000 <_start>:
   0:	01400513          	addi	a0,zero,20
   4:	010000e7          	jalr	ra,16(zero) # 10 <fun>
   8:	00c000e7          	jalr	ra,12(zero) # c <halt>

0000000c <halt>:
   c:	00c00067          	jalr	zero,12(zero) # c <halt>

00000010 <fun>:
  10:	00a50513          	addi	a0,a0,10
  14:	00008067          	jalr	zero,0(ra)

image.png
image.png
运行的结果本身是没有问题的，我们要注意，第一个寄存器的写入端要置为低电平，wire 0.

实现完整的minirv处理器

我们对于需要用到的指令的opcode进行了整理：

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+-------+--------+-----------+----------------+--------+---------+
| 指令  | 类型   | opcode    | opcode(16进制) | funct3 | funct7   |
+-------+--------+-----------+----------------+--------+---------+
| add   | R-type | 0110011   | 0x33           | 000    |0000000  |
| addi  | I-type | 0010011   | 0x13           | 000    |   -     |
| lui   | U-type | 0110111   | 0x37           |   -    |   -     |
| lw    | I-type | 0000011   | 0x03           | 010    |   -     |
| lbu   | I-type | 0000011   | 0x03           | 100    |   -     |
| sw    | S-type | 0100011   | 0x23           | 010    |   -     |
| sb    | S-type | 0100011   | 0x23           | 000    |   -     |
| jalr  | I-type | 1100111   | 0x67           | 000    |   -     |
+-------+--------+-----------+----------------+--------+---------+

我们准备对于opcode进行编码，这一次由于电路比较大，我们需要进行封装，所以我选择和上次一样地，只不过这次的封装加上了整个的32条支路的集线器
image.png
结果试验，整个的逻辑是没有什么问题的。

对指令的分析

我们开始思考如何配置寄存器，我们首先要明白8个指令的存储与读取的权限，以及他们要进行的运算

  • ADD：读取rs1 rs2进入加法器，输出赋予WE权限，接入Wdata写入rd
  • ADDI：读取rs1，和imm进入加法器，后面保持一致

所以rs2和imm在加法时，需要进入一个多路选择器

  • JALR：R[rd]=PC+1,PC=R[rs1]+imm。需要有寄存器rd的写入权限，数据流来自于PC，同时经过加法器后，进入PC前有一个多路选择器
  • LUI：放入R[rd]高二十位立即数，低位补0，需要WE和wdata权限

lw和lbu是一对指令，都是从内存中读取数据，LW是读取一整个一整个字（四个字节），而LBU是只写入最低的8位

  • 二者需要在一开始经过一个多路选择器，代表需要写入的数据
  • 需要WE权限和Wdata的注入，总体而言并没有非常复杂

sb和sw也是一组指令，其中的sb代表向内存写一个字节，，而sw是对内存写一整个词（4字节）

  • 这是唯二的需要向ROM写的指令
  • 这个sb很烦，需要写入RAM中的任意一个位置，这边不简单

我们对于寄存器进行梳理，发现对于寄存器we的权限：
ADD ADDI JALR LUI LW LBU
其wdata分别来自于：

  • ADD ADDI加法后的结果
  • lw和lbu的指令，需要从内存中移数据过来
  • LUI的数据
  • JALR的劫后余生
    其waddr都是写入在地址位rd的地方

对内存指令的具体分析

LW和LBU

指令结构：

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31          20 19    15 14   12 11     7 6      0
+-------------+--------+-------+--------+--------+
| imm[11:0]   | rs1    |funct3 | rd     | opcode |
+-------------+--------+-------+--------+--------+

二者都先算addr=x[rs1]+sext(imm)

sb和sw

指令结构：

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31        25 24    20 19    15 14   12 11       7 6      0
+-----------+--------+--------+-------+-----------+--------+
| imm[11:5] | rs2    | rs1    |funct3 | imm[4:0]  | opcode |
+-----------+--------+--------+-------+-----------+--------+

调试

经过了16个小时的设计与调试，我们目前还是出现了问题，我们采用@ylin的一个测试指令来进行验证，验证各个指令是否正确：

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00000000 <_start>:
   0:	123450b7          	lui	x1,0x12345          # x1 = 0x12345000
   4:	67808093          	addi	x1,x1,0x678        # x1 = 0x12345678
   8:	00102023          	sw	x1,0(zero)           # MEM[0] = 0x12345678
   c:	00002503          	lw	x10,0(zero)          # x10 = 0x12345678 (验证)

  10:	09000593          	addi	x11,zero,0x90       # x11 = 0x90
  14:	0ab00613          	addi	x12,zero,0xab       # x12 = 0xab
  18:	0cd00693          	addi	x13,zero,0xcd       # x13 = 0xcd
  1c:	0ef00713          	addi	x14,zero,0xef       # x14 = 0xef

  20:	00b001a3          	sb	x11,3(zero)          # MEM[3] = 0x90
  24:	00c00123          	sb	x12,2(zero)          # MEM[2] = 0xab
  28:	00d000a3          	sb	x13,1(zero)          # MEM[1] = 0xcd
  2c:	00e00023          	sb	x14,0(zero)          # MEM[0] = 0xef

  30:	00002503          	lw	x10,0(zero)          # x10 = 0x90abcdef

  34:	03800067          	jalr	zero,56(zero)      # 跳转到 0x38
  38:	03800067          	jalr	zero,56(zero)      # 无限循环

最后我们也是很好的完成了这个任务，运行完了以后的GPR情况如下：
00eab926fc7f4b401c5b5b92e1a704ca.png
如果这个验证集完成了，证明我们的八条指令就没有问题了。然后，我们通过添加简单的逻辑，就可以完成显示器的设置，结果如下：
a622fe7b6292621343167a69379b8744.png
一生一芯，YYDS！

一点小小的感想

本来还想在这一个mini的logisim上实现我的超级玛丽小游戏，但是没有条件跳转指令，也就是没有if判断，而真正的游戏几乎是不能够缺少条件判断的，所以我们很难去设计一个游戏，但是，我们能把自己的图片print到logisim，我觉得这本身就是一种幸福。至此，一生一芯F阶段到此结束，这一个F6我将近花了15个小时，速度还是有所欠缺，还需要更加的努力。

24hz的帧率，写不出我2048hz的心，心的同频，交相辉映。才会创造一个更好的未来，为了创造一个更好的未来，我愿意投入我全部的身心和热情，贡此身心，维护世间的美好与爱。

真的真的，这本身就是一种幸福。

爱是一种《英雄主义》，just for love， just for fun