随着IC技术的不断发展,国产处理器的设计已经受到了广泛的关注。但是当前指令集架构存在着知识产权风险以及高昂的授权费等问题,严重限制了国产处理器的发展。RISC-V(RISC-V Instruction Set Architecture)是近年来发布的一种全新的指令集架构,具有简单、开源等特点其原子操作指令又多用于解决处理器并发以及竞争冒险等问题,因此原子操作一直是处理器的重点研究对象之一。申威是国内早期较为成熟的自主研发品牌,在国产处理器中占据着重要地位所以基。于申威架构实现RISC-V原子操作指令,对国产处理器的发展起到了积极重要的作用。本文首先介绍了因摩尔定律逐渐失效,处理器多核结构成为主流趋势。在多核结构中,必然会出现处理器并发和竞争冒险问题。以原子操作指令为基础实现的“锁机制”是解决该问题的有效方法之一,并分别列举了四种常用的锁机制加以说明。之后以ARM、x86、RISC-V架构为例分析原子操作指令的实现原理及使用背景,其中RISC-V原子操作指令具有多样性和高效率等特点,因此实现RISC-V原子操作指令成为了研究热点。之后介绍了RISC-V和申威指令集的基本知识,包括指令格式和指令类型以及RISC-V独有的模块化的组织形式。本文把申威和RISC-V两种架构的原子操作指令进行对比,来制定基于申威架构实现RISC-V原子操作指令的设计方法。基于不同设计方向的考量,本文提出了二种实现方法:一、基于复杂度的考量:根据RISC-V原子操作指令的不同功能,并基于申威处理器核心的特点,添加必要的硬件逻辑电路来具体实现每一条指令功能。二、基于时序路径的考量:使用指令拆分技术把RISC-V原子操作指令拆分成申威处理器核心的二条基本指令,单条RISC-V原子操作指令实现的功能由这2条指令依次执行实现。在系统实现过程中,需要面对流水线冲突问题。本文基于传统五级流水线和申威超标量流水线结构,提出了解决方法。之后,根据上述二种设计方法,分别进行了模块设计并详细描述了设计模块的具体结构以及指令的实现流程。在本文中主要以取指、发射、访存模块为主,其中对访存控制模块中产生的存储器数据冲突问题进行研究分类并找到相应的解决方法。本文最后通过搭建验证环境,对各模块进行仿真验证。实验结果表明本文提出的二种设计方案均可实现,并且以时序路径考量设计并实现的原子操作指令其完成周期缩短了20%,最后RISC-V锁指令的上锁与解锁效率比申威架构提高了40%。