设计一个简易的处理器(1)--定义指令集体系结构(ISA)

处理器的主要作用就是执行指令,那么设计处理器的第一步就是要定义或者兼容指令集体系结构(Instruction Set Architecture,ISA). 定义一个指令集体系结构,包括定义各种状态元素,指令集及编码,一组编程规范和异常事件处理.

 

传统的指令集的设计理念主要分为CISC和RISC两种设计理念.现代处理器比如IA32体系结构的指令集,已经不是单纯的CISC,设计时候已经结合了RISC的精华.

 

本文介绍的Y86 ISA是IA32的一个简化版本(子集),操作集较少,寻址方式较少. (注*)

 

程序员的可见的状态

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Y86的每条指令都会读取或修改处理器状态的某些部分,称为程序员可见状态.如图1所示.

1.程序寄存器(Program registers): %eax, %ecx, %edx, %ebx, %esi,%edi, %esp和%ebp.都是32位的.

2.条件码(Condition codes): ZF(零标志), SF(符号标志), OF(溢出标志).用来保存最近的算术或逻辑指令造成的影响.

3.程序计数器(PC):存放当前正在执行的地址.

4.存储器(Memory):在程序员看来, Y86程序使用虚拟存储器.

5.状态码(State):表明程序执行的总体状态,它指示正常运行,或者发生某种异常.

 

 

指令集

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图2是Y86指令集的简单描述.与IA32的AT&T指令集相似.操作的数据都是4字节的. 指令编码长度1-6个字节不等.

指令的格式大抵是: icode:ifun rA:rB D,具体如下图所示:

 

指令分类	具体指令	说明
传送指令(XXmovl) (4种)	指令 源 目的 irmovl 立即数 寄存器 rrmovl 寄存器 寄存器 mrmovl 存储器 寄存器 rmmovl 寄存器 存储器	Y86指令的寻址方式单一:基址+偏移量.
算术逻辑指令(opl) (4个)	addl, subl, andl, xorl	这4个指令的执行会设置条件码(CC).
跳转指令(jxx) (4个)	jmp, jle, jl, je, jne, jge, jg	jmp是无条件跳转指令,其他是条件跳转指令 (根据条件码选择分支).
条件传送指令(cmovXX) (6个)	cmovle, cmovl, cmove, cmovne, cmovge, cmovg	根据条件码选择是否更新目的寄存器.
call/ret指令	call/ret	call将返回地址入栈,跳转目的地址. ret指令从过程调用中返回.
pushl/popl指令	pushl/popl	入栈和出栈操作.
halt指令	halt	停止执行指令指令.设置Stat位HLT.
nop指令	nop

 

 

指令集编码

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Y86指令1-6个字节不等.第一个字节表明指令的类型,其中高4位是代码(code)部分,低4位是功能码(function). Y86的代码值0~0xB.

图3给出了整数操作,条件传送和条件传送指令的具体编码(第一个字节),其他指令的功能码是0(可以功能扩展).

寄存器编码

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为了方便,每个程序寄存器使用4位编码,其中F表示无寄存器.

 

状态码和异常

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状态码(Stat)是程序员可见的状态之一,用来描述程序执行的总体状态.详见图5.

一个适用的处理器 , 当处理器遇到异常 , 会调用一个异常处理程序 . 在 Y86 , 当遇到异常时 , 直接让处理器停止执行指令 .

 

注*:本篇中的图片均来自本书的官网,详见http://csapp.cs.cmu.edu/public/figures.html

        Copyright© 2011, Randal E. Bryant and David R. O'Hallaron

 

reference:

1. 深入理解计算机系统（原书第2版）

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