RISC处理器

处理器的指令集决定了处理器能做什么、擅长做什么，也决定了处理器的复杂度。举个例子，当指令集中包含了很多特殊数学运算指令如舍入，不同精度定点浮点运算，除法，蝶形运算和比特反转寻址等时，这个处理器一定是针对数字信号处理而设计的数字信号处理器。
RISC是精简指令集的缩写，其包含的指令都是最基本的，如算数运算，逻辑运算以及跳转等必须的指令。下图是一个典型的精简指令集。

处理器指令集详解

这个指令集包含31条指令，如第三列所示。第一列是每种指令对应的操作码。由于这个指令集仅包含31条指令，操作码的位数是5位。为了便于扩充指令集，操作码编码为6位，最高位全是零。

操作数

通常每条指令有两个操作数（operand），分别为side_a和side_b。
有的指令只有一个操作数，如跳转指令，其唯一的操作数就是程序执行时要跳转到的地址。同样所有的移位操作也只有一个操作数，即暂存了待移位数的寄存器编号。移位后的数会仍然留在同一个寄存器中。
同样的，加一指令（INC）和减一指令（DEC）也只需要一个操作数，因为加减一后的数也留在原地。
需要注意的是有两个指令不需要任何操作数，分别是NOP指令和SLEEP指令。

NOP

NOP指令就是no operation的意思，处理器不干任何事情。那为什么需要这个指令？这个指令的用处可不小。程序中为了凑时序，等待，死循环等功能就是靠若干个NOP指令来实现的。

SLEEP

SLEEP睡眠指令也很重要，是为了让处理器临时进入低功耗状态从而实现节电的效果。SLEEP需要特殊的上电电路来实现。

指令长度

上表的Words列给出​每种指令包含几个Words。每个Word包含16个bit。
可以看到除了加载立即数（LOADI）外其他所有指令都只占用一个Word，即16bit。这16比特中6bit是指令字（最高位为零，方便扩充指令集），5bit是操作数a对应的寄存
器的编号。这表示最大支持的寄存器数为32。最低5bit对应操作数b对应的寄存器。

指令周期

指令周期指一条指令执行时需要的时钟周期数。
三个加载和存储指令，加载立即数(LOADI)指令，从内存加载(LOAD)和存储(STORE)需要三个时钟周期来执行。其余所有指令都需要两个时钟周期来执行。
具体每个时钟周期处理器对应的任务分解随后会讲到。

进位标志 C-flag

进位标志表示当前运算是否发生了进位或者借位。如果发生了进位或者借位时，进位标志被置为1，否则进位标志被置为0。
上表C-flag列中标注x的指令被执行时会影响进位标志。
进位标志用来判断指令执行是否发生溢出，也可以用来级联前后操作，实现对大数的运算。

零标志 Z-flag

零标志表示当前运算结果是否为零。如果为零则该标志被置为1。
零标志可以用来判断预设的计数器是否减为零，两个数是否相等。

ALU 算术逻辑运算单元

ALU是处理器中具体完成每条指令运算的功能模块。上表最后三列给出了每条指令执行时每个时钟周期需要完成ALU运算。
经过分析归纳，ALU需要支持的运算包括对操作数加1，对操作数减1，两个操作数加和减，两个数的与或及异或等按位逻辑运算，操作数按位取反，左移右移。
ALU 的实现需要包括上面的所有功能。考虑到面积优化，加减1和减法可以全部由加反来实现。

ADD

以加法指令为例。第一个时钟周期时，ALU 被用来作程度计数器(PC program counter)的加1操作，从而使程序指针指向当前指令。第二个时钟周期完成实际的加法功能。

LOADI

所有指令中最特殊的指令是LOADI指令。由于LOADI是唯一的双字指令，第一个时钟周期时，ALU执行加1操作，将程序计数器指向该条指令的第一个16bit word，第二个时钟周期时，ALU再次执行加1操作，将程序计数器指向该指令的第二个word,即立即数。

这个经典的16bit精简指令处理器非常适合用来学习处理器设计，汇编语言学习，以及硬件描述语言学习。从理解指令集开始，到ALU设计到datapath 设计，大家会很快收到良好的学习效果。