【RISC-V设计-04】- RISC-V处理器设计K0A之架构

1. 简介

在前几篇文章中，介绍了RISC-V处理器的结构和指令集，从本篇文章开始，介绍一个最简单的RISC-V内核，仅支持RV32E（和RV32I指令一致，但支持16个通用寄存器），并命名为RISCV-K0A。RISCV-K0A是一个超轻量级的RISCV CPU内核，采用冯诺依曼结构，两级流水线，指令集为RV32E指令集（即整数指令集，16个通用寄存器），支持16个中断源。内核较为精简，面积极小、功耗低。

2. 主要特点

1. RV32E+Zicsr指令集;
2. 16个通用寄存器；
3. 仅支持机器模式；
4. 支持特权指令MRET；
5. 实现了44条指令的处理；
6. 两级流水线，取指、执行两个阶段；
7. 冯诺依曼结构，指令总线和数据总线共享；
8. 20位地址总线，最大支持1MByte地址空间；
9. 支持16个外部中断源，支持晚到中断、咬尾中断；

3. 结构框图

BMU ：总线管理单元（Bus Management Unit）
IDU ：指令译码单元（Instr Decoder Unit）
ALU ：算术逻辑单元（Arithmetic and Logic Unit）
GPR ：通用寄存器（General Purpose Register）
CIC ：核内中断控制器（Core Interrupt Contoller）
CSR ：控制与状态寄存器（Control and Status Register）

4. 指令列表

序号	类型	指令	周期	功能	说明
1	RV32I	ADDI	1	Rd = Rs + imm	立即数加法
2	RV32I	SLTI	1	Rd = Rs < imm ? 1’b1 : 1’b0	立即数有符号小于
3	RV32I	SLTIU	1	Rd = Rs < imm ? 1’b1 : 1’b0	立即数无符号小于
4	RV32I	XORI	1	Rd = Rs ^ imm	立即数异或
5	RV32I	ORI	1	Rd = Rs | imm	立即数逻辑或
6	RV32I	ANDI	1	Rd = Rs & imm	立即数逻辑与
7	RV32I	SLLI	1	Rd = Rs << imm[4:0]	立即数逻辑左移
8	RV32I	SRLI	1	Rd = Rs >> imm[4:0]	立即数逻辑右移
9	RV32I	SRAI	1	Rd = Rs >>> imm[4:0]	立即数算术右移
10	RV32I	ADD	1	Rd = Rs1 + Rs2	寄存器加法
11	RV32I	SUB	1	Rd = Rs1 - Rs2	寄存器减法
12	RV32I	SLL	1	Rd = Rs1 << Rs2	寄存器逻辑左移
13	RV32I	SLT	1	Rd = Rs1 < Rs2 ? 1’b1 : 1’b0	寄存器有符号小于
14	RV32I	SLTU	1	Rd = Rs1 < Rs2 ? 1’b1 : 1’b0	寄存器无符号小于
15	RV32I	XOR	1	Rd = Rs1 ^ Rs2	寄存器异或
16	RV32I	SRL	1	Rd = Rs1 >> Rs2	寄存器逻辑右移
17	RV32I	SRA	1	Rd = Rs1 >>> Rs2	寄存器算术右移
18	RV32I	OR	1	Rd = Rs1 | Rs2	寄存器逻辑或
19	RV32I	AND	1	Rd = Rs1 & Rs2	寄存器逻辑与
20	RV32I	LB	2	Rd = M[Rs1 + imm]	加载字节，有符号扩展
21	RV32I	LBU	2	Rd = M[Rs1 + imm]	加载字节，无符号扩展
22	RV32I	LH	2	Rd = M[Rs1 + imm]	加载半字，有符号扩展
23	RV32I	LHU	2	Rd = M[Rs1 + imm]	加载半字，无符号扩展
24	RV32I	LW	2	Rd = M[Rs1 + imm]	加载字
25	RV32I	SB	1	M[Rs1+imm] = Rs2	存储字节
26	RV32I	SH	1	M[Rs1+imm] = Rs2	存储半字
27	RV32I	SW	1	M[Rs1+imm] = Rs2	存储字
28	RV32I	JAL	1	Rd = PC + 4; PC = PC + imm	带返回的PC跳转
29	RV32I	JALR	1	Rd = PC + 4; PC = Rs + imm	带返回的寄存器跳转
30	RV32I	BEQ	1	if(Rs1 == Rs2) PC = PC + imm	相等跳转
31	RV32I	BNE	1	if(Rs1 != Rs2) PC = PC + imm	不等跳转
32	RV32I	BLT	1	if(Rs1 < Rs2) PC = PC + imm	小于跳转
33	RV32I	BGE	1	if(Rs1 >= Rs2) PC = PC + imm	大于等于跳转
34	RV32I	BLTU	1	if(Rs1 < Rs2) PC = PC + imm	无符号，小于跳转
35	RV32I	BGEU	1	if(Rs1 >= Rs2) PC = PC + imm	无符号，大于等于跳转
36	RV32I	LUI	1	Rd = imm << 12	加载立即数
37	RV32I	AUIPC	1	Rd = PC + (imm<<12)	根据PC加载立即数
38	Zicsr	CSRRW	1	Rd = CSR; CSR = Rd	CSR寄存器读、写
39	Zicsr	CSRRS	1	Rd = CSR; CSR = CSR | Rd	CSR寄存器读、置1
40	Zicsr	CSRRC	1	Rd = CSR; CSR = CSR & ~Rd	CSR寄存器读、清0
41	Zicsr	CSRRWI	1	Rd = CSR; CSR = imm	CSR立即数读、写
42	Zicsr	CSRRSI	1	Rd = CSR; CSR = CSR | imm	CSR立即数读、置1
43	Zicsr	CSRRCI	1	Rd = CSR; CSR = CSR & ~imm	CSR立即数读、清0
44	Priv	MRET	1	PC = mepc	中断返回指令

5. CSR指令集

I型指令：CSR指令
序号	指令	31 20	19 15	14 12	11 7	6 0
1	CSRRW	csr	rs	001	rd	1110011
2	CSRRS	csr	rs	010	rd	1110011
3	CSRRC	csr	rs	011	rd	1110011
4	CSRRWI	csr	rs	001	rd	1110011
5	CSRRSI	csr	rs	010	rd	1110011
6	CSRRCI	csr	rs	011	rd	1110011

CSRRW：
指令形式：csrrw rd, csr, rs1
指令功能：CSR寄存器读后写。记csr值为t，将rs1写入csr，再将t写入rd。

CSRRS：
指令形式：csrrs rd, csr, rs1
指令功能：CSR寄存器读后置位。记csr值为t，将t和rs1的按位或结果写入csr，再将t 写入rd。

CSRRC：
指令形式：csrrc rd, csr, rs1
指令功能：CSR寄存器读后清位。记csr值为t，将rs1的反码和t按位与，结果写入csr，再将t写入rd。

CSRRWI：
指令形式：csrrwi rd, csr, zimm[4:0]
指令功能：CSR寄存器读后写立即数。将csr 的值复制到rd 中，再将5 位立即数zimm 的零扩展结果写入csr。

CSRRSI：
指令形式：csrrsi rd, csr, zimm[4:0]
指令功能：CSR寄存器读后置位立即数。记csr 的值为t，将5 位立即数zimm 零扩展后，和t 按位或，结果写入csr，再将t 写入rd（csr 中的第5 及更高的位不变）。

CSRRCI：
指令形式：csrrci rd, csr, zimm[4:0]
指令功能：CSR寄存器读后清位立即数。记csr 的值为t，将5 位立即数zimm 零扩展后的反码和t 按位与，结果写入csr，再将t 写入rd（csr 中的第5 及更高的位不变）。

6. 中断返回指令

特殊型指令：中断返回指令
序号	指令	31 28	27 24	23 20	19 15	14 12	11 7	6 0
1	MRET	0011	0000	0010	00000	000	00000	1100111

7. 总结

本文重点阐述了 RISCV-K0A 的基本特性、整体架构以及所支持的指令集。RISCV-K0A 致力于打造一个最为简单的 RISC-V 处理器，其在面积和功耗方面有着强烈的追求，正因如此，并不支持在线调试这一功能。在后续的几篇文章中，将会对各个子模块分别进行介绍。