用 C++23 从零实现 RISC-V 模拟器（二）：踏足软硬的交汇之地——深入浅出总线、指令译码和储存器

RISC-V 处理器是一台简洁高效的精简指令集计算机，它以其广泛的可扩展性和丰富的开源资源闻名。在上一部分中，我们搭建了 RISC-V 处理器的基础，并将内存全部放入 CPU 内部，总线的概念是隐含着的。这一部分将把内存拆分出来，再引入总线的概念，让 CPU 通过总线连接内存。

总线：数据的传输桥梁

总线是电子设备之间传输数据、地址和控制信号的物理通路，它就像计算机的交通要道。对于 RISC-V 处理器而言，总线连接着 CPU 和内存，允许 CPU 读取和写入内存中的数据。总线可以划分为数据总线、地址总线和控制总线：

• 数据总线：用于在 CPU 和内存之间传输数据。
• 地址总线：用于指定内存中要访问的存储位置。
• 控制总线：用于传递控制信号，例如读写信号和中断信号。

总线的设计因计算机体系结构而异，RISC-V 处理器通常使用一种称为 AMBA AXI 的总线协议。AXI 协议是一种高效的总线协议，它支持突发传输、地址对齐和多主访问等特性，可以提高数据传输速度和效率。

指令译码：让 CPU 理解指令

指令译码是将指令从二进制转换为机器可以执行的步骤的过程。RISC-V 指令集包含 40 多条基本指令，每条指令都有一个特定的二进制编码。当 CPU 从内存中读取一条指令后，它会将其送入指令译码器。指令译码器将指令的二进制编码解码，确定指令的类型和操作码，然后将指令分解为一系列微指令。微指令是 CPU 可以直接执行的基本操作，例如加载数据、存储数据、加减乘除等。

存储器：数据的归宿

存储器是用于存储程序和数据的设备。RISC-V 处理器通常使用两种类型的存储器：寄存器和内存。寄存器是 CPU 内部的高速存储器，用于存储临时数据和中间结果。内存是计算机的主存储器，用于存储程序和数据。内存的容量远大于寄存器的容量，但速度也慢得多。

内存通常划分为多个存储单元，每个存储单元都有一个唯一的地址。CPU 可以通过总线访问内存中的存储单元，并读写数据。内存的读写操作通常需要几个时钟周期，因此在实际应用中，程序员会尽量将需要频繁访问的数据存储在寄存器中，以提高程序的执行效率。

代码实战：从内存中读写数据

现在，让我们编写代码，让 CPU 从内存中读写数据。首先，我们需要在内存中分配一块空间来存储数据。我们可以使用以下代码来分配一块 1024 字节的内存空间：

uint8_t* memory = new uint8_t[1024];

分配好内存空间后，我们就可以使用以下代码来将数据写入内存：

memory[0] = 0x12;
memory[1] = 0x34;

现在，我们可以使用以下代码从内存中读取数据：

uint8_t data = memory[0];

这样，我们就完成了从内存中读写数据的操作。

结语

通过这一部分的学习，我们对 RISC-V 处理器有了更深入的了解。我们学习了总线、指令译码和存储器等基本概念，并编写了代码让 CPU 从内存中读写数据。这些知识为我们后续构建更复杂的 RISC-V 处理器奠定了坚实的基础。