RV32IM_指令介绍_shamt

2 搭建数据通路（RV32I，Base Integer Instructions，40条）

2.1 I 型指令的实现

I型指令介绍

• I型指令通常包括
  • opcode（操作码，7）
  • funct3（功能码，3）
  • rs1（源寄存器1，5）
  • rd（目标寄存器，5）
  • Imm（立即数，12）
  • shamt（位移次数，5）(因为是32位数据，所以最多只能位移32次，5位位宽即可)
    其中opcode用于判断指令的类型；func3用于判断具体指令需要进行的操作；rs1是需要访问通用寄存器的地址，将取到的值用于运算操作；rd是将运算结果写回的目的寄存器地址，立即数是进行运算操作的数，这里直接给出，可以直接扩展后使用，不需要访问寄存器取值。

通过上图我们可以看到I型指令的其中9种类型。下面我会一一解释。

`ADDI`
- addi rd, rs1, imm
- rd = rs1 + imm
- 将符号扩展的立即数imm的值加上rs1的值，结果写入rd寄存器，忽略算术溢出。
1
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3
4

`ORI`
- ori rd, rs1, imm
- rd = rs1 | imm
- 将rs1的值与符号扩展的立即数imm的值按位或，结果写入rd寄存器，忽略算术溢出。
1
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3
4

`XORI`
- xori rd, rs1, imm
- rd = rs1 ^ imm
- 将rs1与符号位扩展的imm按位异或，结果写入rd寄存器。
1
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`ANDI`
- andi rd, rs1, imm
- rd = rs1 & imm
- 将rs1与符号位扩展的imm按位与，结果写入rd寄存器。
1
2
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4

`SLLI` shift left logical imm
- slli rd, rs1, shamt
- rd = rs1 << imm
- 将rs1左移shamt位，空出的位补0，结果写入rd寄存器
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3
4

`SRLI` shift right logical imm 
- srli rd, rs1, shamt
- rd = rs1 >> imm
- 将rs1右移shamt位，空出的位补0，结果写入rd寄存器
1
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3
4

`SRAI` shift right arith imm(算术位移)
- srai rd, rs1, shamt
- rd = rs1 >> imm
- 将rs1右移shamt位，空出的位用rs1的最高位补充，结果写入rd寄存器
1
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`SLTI` set less than imm 
- slti rd, rs1, imm
- rd = (rs1 < imm) ? 1:0 ;
- 将符号扩展的立即数imm的值与rs1的值比较(有符号数比较)，如果rs1的值更小，则向rd寄存器写1，否则写0。
1
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4

`SLTIU` set less than imm(u)
- sltiu rd, rs1, imm
- rd = (rs1 < imm) ? 1:0 ;
- 将符号扩展的立即数imm的值与rs1的值比较(无符号数比较)，如果rs1的值更小，则向rd寄存器写1，否则写0。
1
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3
4

2.2 R型指令的实现

R型指令介绍

R型指令通常包括

• opcode（操作码，7）
• funct3（功能码，3）
• rs1（源寄存器1，5）
• rs2（源寄存器1，5）
• rd（目标寄存器，5）
• funct7（功能码，7）
  其中opcode用于判断指令的类型与M拓展指令相同（0110011）；funct7用于进一步分辨是R型还是M拓展指令，func3用于判断具体指令需要进行的操作；rs1是需要访问通用寄存器的地址，将取到的值用于运算操作；rs2也是需要访问通用寄存器的地址，将取到的值用于运算操作；rd是将运算结果写回的目的寄存器地址。

通过上图我们可以看到R型指令有10种类型。下面我会一一解释。

`ADD`
- ADD rd，rs1，rs2
- x[rd] = x[rs1] + x[rs2]
- 将rs1寄存器的值加上rs2寄存器的值，然后将结果写入rd寄存器里，忽略算术溢出。
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`SUB`(subtract)
- sub rd, rs1, rs2
- x[rd] = x[rs1] - x[rs2]
- 将rs1寄存器的值减去rs2寄存器的值，然后将结果写入rd寄存器里，忽略算术溢出。
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4

`SLL`（shift left logical）
- sll rd, rs1, rs2
- x[rd] = x[rs1] << x[rs2]
- 将rs1左移rs2位(低5位有效)，空出的位补0，结果写入rd寄存器。
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`SLT`（set less than）
- slt rd, rs1, rs2
- x[rd] = (x[rs1] <  x[rs2])? 1:0
- 将rs1的值与rs2的值比较(有符号数比较)，如果rs1的值更小，则向rd寄存器写1，否则写0。
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`SLTU`（set less than unsigned）
- sltu rd, rs1, rs2
- x[rd] = (x[rs1] <  x[rs2])? 1:0
- 将rs1的值与rs2的值比较(无符号数比较)，如果rs1的值更小，则向rd寄存器写1，否则写0。
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`XOR`（exclusive or）
- xor rd, rs1, rs2
- x[rd] = x[rs1] ^ x[rs2]
- 将rs1与rs2按位异或，结果写入rd寄存器
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`SRL`（shift right logical）
- srl rd, rs1, rs2
- x[rd] = x[rs1] >> x[rs2]
- 将rs1右移rs2位(低5位有效)，空出的位补0，结果写入rd寄存器。
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`SRA`（shift right arithmetic）
- sra rd, rs1, rs2
- x[rd] = x[rs1] >> x[rs2]
- 将rs1右移rs2位(低5位有效)，空出的位用rs1的最高位补充，结果写入rd寄存器。
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`OR`（or）
- or rd, rs1, rs2
- x[rd] = x[rs1] | x[rs2]
- 将rs1与rs2按位或，结果写入rd寄存器
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4

`AND`（and）
- and rd, rs1, rs2
- x[rd] = x[rs1] + x[rs2]
- 将rs1与rs2按位与，结果写入rd寄存器。
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3
4

2.3 跳转指令的实现(JAL=J型,JALR=I型)

跳转指令介绍

跳转指令通常包括

• opcode（操作码，7）

• funct3（功能码，3）

• rs1（源寄存器1，5）

• rd（目标寄存器，5）

• Imm（立即数，12）

  其中opcode用于判断指令的类型，func3用于判断具体指令需要进行的操作；rs1是需要访问通用寄存器的地址，将取到的值用于运算操作；rd是将运算结果写回的目的寄存器地址;IMM立即数是进行运算操作的数，这里直接给出，可以直接扩展后使用，不需要访问寄存器取值。

通过上图我们可以看到跳转指令有2种类型。下面我会一一解释。

`JAL`(jump and link)
- JAL rd，offset  /   JAL rd，imm
- x[rd] = pc+4; pc += sext(offset)   /   x[rd] = pc+4; pc += imm
- 把下一条指令的地址(PC+4)存入rd寄存器中，然后把PC设置为当前值加上符号位扩展的偏移量
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`JALR`(jump and link reg)
- JALR rd，offset(rs1)   /   JALR rd，(imm)rs1
- x[rd] = pc+4; pc = rs1 + offset   /   x[rd] = pc+4; pc = rs1 + imm
- 将PC设置为rs1寄存器中的值加上符号位扩展的偏移量，把计算出地址的最低有效位设为0，并将原PC+4的值写入rd寄存器.如果不需要目的寄存器，可以将rd设置为x0。
- 将最低有效位设置为0的原因是为了保证跳转地址是4字节对齐的，因为RISCV 32位的指令长度都是4字节的.
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4
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2.4 B型指令的实现

B型指令介绍

B型指令通常包括

• opcode（操作码，7）

• funct3（功能码，3）

• rs1（源寄存器1，5）

• rs2（源寄存器1，5）

• Imm（立即数，12）

  其中opcode用于判断指令的类型，func3用于判断具体指令需要进行的操作；rs1是需要访问通用寄存器的地址，将取到的值用于运算操作；rs2也是需要访问通用寄存器的地址，将取到的值用于运算操作；;IMM立即数是进行运算操作的数，这里直接给出，可以直接扩展后使用，不需要访问寄存器取值。

通过上图我们可以看到分支指令有6种类型。下面我会一一解释。imm/offset

`BEQ`(相等时分支跳转 (Branch if Equal))
- beq rs1, rs2, imm/(offset) 
- if (rs1 == rs2) pc += imm
- 若寄存器 x[rs1]和寄存器 x[rs2]的值相等，把pc的值设为当前值加上符号位扩展的偏移 imm (offset)。
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4

`BNE`(不相等时分支跳转 (Branch if Not Equal))
- bne rs1, rs2, imm
- if (rs1 ≠ rs2) pc += imm
- 若寄存器 x[rs1]和寄存器 x[rs2]的值不相等，把 pc 的值设为当前值加上符号位扩展的偏移imm。
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2
3
4

`BLT`(小于时分支跳转 (Branch if Less Than))
- blt rs1, rs2, imm
- if (rs1 <s rs2) pc += imm
- 若寄存器 x[rs1]的值小于寄存器 x[rs2]的值（均视为二进制补码），把 pc 的值设为当前值加上符号位扩展的偏移 imm
1
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3
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`BGE`(大于等于时分支跳转(Branch if Greater Than or Equal))
- bge rs1, rs2, imm
- if (rs1 ≥s rs2) pc += imm
- 若寄存器 x[rs1]的值大于等于寄存器 x[rs2]的值（均视为二进制补码），把 pc 的值设为当前值加上符号位扩展的偏移imm。
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3
4

`BLTU`(无符号小于时分支跳转 (Branch if Less Than, Unsigned))
- bltu rs1, rs2, imm
- if (rs1 <u rs2) pc += imm
- 若寄存器 x[rs1]的值小于寄存器 x[rs2]的值（均视为无符号数），把 pc 的值设为当前值加上符号位扩展的偏移 imm。
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3
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`BGEU`(无符号大于等于时分支跳转 (Branch if Greater Than or Equal, Unsigned))
- bgeu rs1, rs2, imm
- if (rs1 ≥u rs2) pc += imm
- 若寄存器 x[rs1]的值大于等于寄存器 x[rs2]的值（均视为无符号数），把 pc 的值设为当前值加上符号位扩展的偏移 imm。
1
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4

2.5 访存指令的实现(sotore = S型，load=I型)

访存指令介绍

访存指令store(S型)通常包括,load属于I型

• opcode（操作码，7）

• funct3（功能码，3）

• rs1（源寄存器1，5）

• rs2（源寄存器1，5）

• Imm（立即数，13）

  其中opcode用于判断指令的类型，func3用于判断具体指令需要进行的操作；rs1是需要访问通用寄存器的地址，将取到的值用于运算操作；rs2也是需要访问通用寄存器的地址，将取到的值用于运算操作；;IMM立即数是进行运算操作的数，这里直接给出，可以直接扩展后使用，不需要访问寄存器取值。

通过上图我们可以看到访存指令有8种类型。下面我会一一解释。offset=imm

`LB`(字节加载 (Load Byte))
- lb rd, offset(rs1)
- x[rd] = sext(M[x[rs1] + sext(offset)][7:0])
- 从地址 x[rs1] + sign-extend(offset)读取一个字节，经符号位扩展后写入x[rd]。
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`LH`(半字加载 (Load Halfword))
- lh rd, offset(rs1)
- x[rd] = sext(M[x[rs1] + sext(offset)][15:0])
- 从地址 x[rs1] + sign-extend(offset)读取两个字节，经符号位扩展后写入 x[rd]。
1
2
3
4

`LW`(字加载 (Load Word))
- lw rd, offset(rs1)
- x[rd] = sext(M[x[rs1] + sext(offset)][31:0])
- 从地址 x[rs1] + sign-extend(offset)读取四个字节，写入 x[rd]。
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2
3
4

`LBU`(无符号字节加载 (Load Byte, Unsigned))
- lbu rd, offset(rs1)
- x[rd] = M[x[rs1] + sext(offset)][7:0]
- 从地址 x[rs1] + sign-extend(offset)读取一个字节，经零扩展后写入 x[rd]。
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3
4

`LHU`(无符号半字加载 (Load Halfword, Unsigned))
- lhu rd, offset(rs1)
- x[rd] = M[x[rs1] + sext(offset)][15:0]
- 从地址 x[rs1] + sign-extend(offset)读取两个字节，经零扩展后写入 x[rd]。
1
2
3
4

`SB`(存字节(Store Byte))
- sb rs2, offset(rs1) 
- M[x[rs1] + sext(offset)] = x[rs2][7: 0]
- 将 x[rs2]的低位字节存入内存地址 x[rs1]+sign-extend(offset)。
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`SH`(存半字(Store Halfword))
- sh rs2, offset(rs1)
- M[x[rs1] + sext(offset) = x[rs2][15: 0]
- 将 x[rs2]的低位 2 个字节存入内存地址 x[rs1]+sign-extend(offset)。
1
2
3
4

`SW`(存字(Store Word))
- sw rs2, offset(rs1)
- M[x[rs1] + sext(offset) = x[rs2][31: 0]
- 将 x[rs2]的低位 4 个字节存入内存地址 x[rs1]+sign-extend(offset)。
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3
4

3 搭建数据通路（RV32M Standard Extension，8条）

M拓展指令介绍

• M拓展指令通常包括
  • opcode（操作码，7）
  • funct3（功能码，3）
  • rs1（源寄存器1，5）
  • rs2（源寄存器1，5）
  • rd（目标寄存器，5）
  • funct7（功能码，7）
    其中opcode用于判断指令的类型与R型指令相同（0110011）；funct7用于进一步分辨是R型还是M拓展指令，func3用于判断具体指令需要进行的操作；rs1是需要访问通用寄存器的地址，将取到的值用于运算操作；rs2也是需要访问通用寄存器的地址，将取到的值用于运算操作；rd是将运算结果写回的目的寄存器地址。

通过上图我们可以看到M拓展指令有8种类型。下面我会一一解释。

`MUL`（乘(Multiply)）
- mul rd, rs1, rs2
- x[rd] = x[rs1] × x[rs2]
- 把寄存器 x[rs2]乘到寄存器 x[rs1]上，乘积写入 x[rd]。忽略算术溢出。
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`MULH`（高位乘(Multiply High)）
- mulh rd, rs1, rs2
- x[rd] = (x[rs1] s ×s x[rs2]) ≫s XLEN
- 把寄存器 x[rs2]乘到寄存器 x[rs1]上，都视为 2 的补码，将乘积的高位写入 x[rd]。
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`MULHU`（高位无符号乘(Multiply High Unsigned)）
- mulhu rd, rs1, rs2
- x[rd] = (x[rs1]u ×u x[rs2]) ≫u XLEN
- 把寄存器 x[rs2]乘到寄存器 x[rs1]上， x[rs1]、 x[rs2]均为无符号数，将乘积的高位写入 x[rd]。
1
2
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4

`MULHSU`（高位有符号-无符号乘(Multiply High Signed-Unsigned)）
- mulhsu rd, rs1, rs2
- x[rd] = (x[rs1]u ×s x[rs2]) ≫s XLEN
- 把寄存器 x[rs2]乘到寄存器 x[rs1]上， x[rs1]为 2 的补码， x[rs2]为无符号数，将乘积的高位写入 x[rd]
1
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3
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`DIV`（除法(Divide)）
- div rd, rs1, rs2 
- x[rd] = x[rs1] ÷s x[rs2]
- 用寄存器 x[rs1]的值除以寄存器 x[rs2]的值，向零舍入，将这些数视为二进制补码，把商写入 x[rd]。
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`DIVU`（无符号除法(Divide, Unsigned)）
- divu rd, rs1, rs2
- x[rd] = x[rs1] ÷u x[rs2]
- 用寄存器 x[rs1]的值除以寄存器 x[rs2]的值，向零舍入，将这些数视为无符号数，把商写入x[rd]。
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3
4

`REM`(求余数(Remainder))
- rem rd, rs1, rs2
- x[rd] = x[rs1] %s x[rs2]
- x[rs1]除以 x[rs2]，向 0 舍入，都视为 2 的补码，余数写入 x[rd]。
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4

`REMU`(求无符号数的余数(Remainder, Unsigned))
- remu rd, rs1, rs2
- x[rd] = x[rs1] %u x[rs2]
- x[rs1]除以 x[rs2]，向 0 舍入，都视为无符号数，余数写入 x[rd]。
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