ICS-04

最新推荐文章于 2025-06-07 10:19:26 发布

bay7447_坤艮

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分类专栏： ICS 文章标签：单片机 c语言硬件工程

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LC-3结构

上节讨论了计算机的基本组成，由内存、处理单元、输入输出设备、控制单元组成，以及指令周期。本节我们来介绍LC-3的指令集结构（ISA）

一、ISA概述

ISA定义了软件编程所需要的必要而完整的描述。即ISA向以机器语言编程的程序员提供有关控制机器所需要的必要信息。ISA给出了内存组织方式、寄存器组、指令集（包括操作码、数据类型、寻址模式）等信息。
内存组织
- LC-3可寻址空间大小为2^16（65536），寻址基本单位是16位。由于LC-3中数据处理的基本单位是16位，所以我们再次称这16位为一个“字”,同时我们也称LC-3是一个“字寻址”机器。
寄存器
- LC-3和大多数机器一样，提供了临时存储空间，访问速度是一个周期。临时存储空间的实现方式是一组通用寄存器，其中的每个寄存器称为通用寄存器（GPR）
  - 记忆特性：可存储信息并可被再次读出
  - 独立寻址：每个寄存器有唯一的标识
指令集
- 一条指令可分为两个部分：操作码（做什么）和操作数（对谁操作）。一个ISA的指令集定义包括：操作码的集合，数据类型和寻址模式。
操作码
- LC-3的ISA结构定义了15条指令，每条指令对应一个操作码（bit[15:12]）。其中，操作码值1101没有定义，将其预留（以后再定义）
- 所有指令可以分为三类
  - 运算：负责处理信息
  - 数据搬移：负责在内存和寄存器之间以及内存/寄存器和输入/输出设备之间转移信息
  - 控制：负责改变指令的执行顺序

指令码	对应指令
0001	ADD
0101	AND
0000	BR
1100	JMP/RET
0100	JSR/JSRR
0010	LD
1010	LDI
0110	LDR
1110	LEA
1001	NOT
1000	RTI
0011	ST
1011	STI
0111	STR
1111	TRAP
1101	预留

数据类型
- 数据类型是指信息的表达方式，即意味着ISA的操作码是怎样理解这些表达信息的。
- 注：ISA所支持的唯一数据类型：补码整数！！！
寻址模式
- 寻址模式是指定义操作数位置的一种机制。
- 操作数可能存在的地方
  - 内存
  - 寄存器
  - 指令本身：此时称操作数为“立即数”，从指令中立即获得该操作数，不需要再从别的地方去寻找该操作数。
- LC-3共支持5中寻址模式
  - 立即数
  - 寄存器
  - 三种内存寻址模式：相对寻址（PC-relative）、间接寻址(indirect)、基址偏移(Base + offset)
条件码
- LC-3具有三个位寄存器（单bit长度），每当8个通用寄存器中任意一个被修改或写入之时，三个单bit位就会发生对应变化（被置1或清0）。三个位寄存器分别是：N、Z和P，对应的意思是负数、零和整数。即每当任意GPR寄存器被写入时，根据写入结果是负数、零或正数，分别设置三个条件位（0或1）。
- 我们称这三个单bit寄存器位“条件码”，因为控制指令可根据这些位的“条件”决定执行顺序是否改变。

二、操作指令

操作指令是处理数据的指令。运算操作和逻辑操作都属于典型的擦欧总指令。Lc-3仅支持ADD、AND和NOT。
NOT指令（1001）
- 单操作数指令，按位取反，结果存入目的寄存器。源操作数和目的操作数的访问都是“寄存器寻址模式”。bit[8:6]是源寄存器，bit[11:9]目的寄存器，bit[5:0]全为1。
- 例：1001 011 101 111111
  - 意指将R5取反存入R3
ADD指令（0001）
- 双操作数指令，需要两个16位源操作数，执行两个操作数的补码加法。bit[8:6]为一源操作数，bit[11:9]为目的操作数，都是寄存器寻址方式，运算结果写入目的寄存器。但第二个源操作数寻址方式，可以是寄存器方式或立即数方式，由bit[5]决定。当bit[5] = 0表明第二个原操作数是寄存器，bit[2:0]代表寄存器，bit[4:3] = 0。当bit[5] = 1时，bit[4:0]做16位扩展之后再参加加法运算（注此处是补码）。
- 例：0001 001 100 0 00 101
  - 意指将 R4+R5 存入R1
- 例：0001 001 100 1 11111
  - 意指将 R4-'1' 存入R1中
AND指令（0101）
- 双操作数指令，需要两个16位源操作数，执行两个操作数的按位与操作。bit[8:6]为一源操作数，bit[11:9]为目的操作数，都是寄存器寻址方式，运算结果写入目的寄存器。但第二个源操作数寻址方式，可以是寄存器方式或立即数方式，由bit[5]决定。当bit[5] = 0表明第二个原操作数是寄存器，bit[2:0]代表寄存器，bit[4:3] = 0。当bit[5] = 1时，bit[4:0]做16位扩展之后再参加与运算。
- 例：0101 010 010 1 00000
  - 寄存器R2被清零
- 例：0101 010 010 0 00 001
  - 将 R2 & R1 存入R2

三、数据搬移指令

数据搬移指令的任务是在GPR和内存之间、寄存器和输入/输出设备之间搬动数据。
我们称数据从内存移入寄存器为“装载”(load)，而从寄存器转入内存为“存储”(store)。
LC-3有7种搬移至零：LD、LDR、LDI、LEA、ST、STR和STI
数据搬移指令需要两个操作数：源和目的。源是指将被搬移的数据，目的是指搬移的取出。两个操作数之一必是寄存器，另一个则是内存或设备。本节仅讨论内存，有关设备见后续。
bit[11:9]标识了操作数之一、即寄存器。如果是load类型指令，则字段代表DR(Destination Resgister，目的寄存器)，来自内存的内容将被写入该寄存器。如果是store类型指令，则字段代表SR(Source Regste，源寄存器)，该段内容将被写入内存。

(一)、PC相对寻址

LD(0010)和ST(0011)采用PC相对寻址模式，bit[8:0]代表的是相对当前PC的偏移值。地址计算方法：先将bit[8:0]内容做16位扩展，然后与PC值(已增量)相加。该方式寻址只能相对当前指令所在地址+256和-255范围内。
- LD(0010)
  - load形式，内存载入寄存器
  - 先将已增量PC与IR[8:0]相加，得出的结果装入MAR
  - 读取地址为MAR中的值的内存单元，将内容暂存入MDR
  - 将内容装入R2
  - 即 DR = *[PC + offset]
  - 例：0010 010 110101111(补码)
    - 将（PC）当前指令地址+1-x50处的值装载入R2
- ST(0011)
  - store形式，将PC加上偏移量存储入内存
  - 先将已增量PC与IR[8:0]相加，得出的结果装入MAR
  - 将SR内容存入MAR中的地址
  - 即 *[PC + offset] = SR
  - 例：0011 010 010101111（补码）
    - 将 R2 中的值存储至（PC）当前指令地址+1+xAF 处

(二)、间接寻址(类指针)

LDI(1010) 和 STI(1011)指令采用的是间接寻址模式。同LD和ST，仅仅是需要多算一次，该操作可寻址的范围是整个内存空间的任意地方。
- LDI(1010)
  - 将PC与IR的符号扩展值相加，结果存入MAR
  - 读取MAR中存放的地址的内容并存入MDR
  - MDR中的内容仍为地址，将该地址存入MAR
  - 再次读取MAR地址的内容存入MDR
  - MDR内容转入DR
  - 即 DR = **[PC + offset]
  - 例： 1010 011 111001100
    - 将已增PC-x63 地址的内容的内容存入R3
- STI(1011)
  - 将PC与IR的符号扩展值相加，结果存入MAR
  - 读取MAR中存放的地址的内容并存入MDR
  - MDR中的内容仍为地址，将该地址存入MAR
  - 将SR中的内容存入MAR中的地址
  - 即 **[PC + offset] = SR
  - 例： 1011 011 011001100
    - 将 R3的内容存储至已增PC+xcc 地址的内容（仍为地址）

(三)、基址偏移寻址

LDR(0110)和STR(0111)采用的是基址+偏移的寻址模式。操作数的地址是由6-bit偏移量的符号扩展bit[5:0]和基址寄存器bit[8:6]的内容相加而成的。
- LDR(0110)
  - 基址寄存器内容与IR内容相加装入MAR
  - 读内存并将MAR中地址的内容装入MDR
  - 将MDR内容装入DR
  - 即 DR = *[*Base + offset]
  - 例：0110 001 010 011101
    - 将 R2内容+x1D 地址的内容载入R1
- STR(0111)
  - 基址寄存器内容与IR内容相加装入MAR
  - 将SR的内容存入MAR中的地址
  - 即 *[*Base + offset] = SR
  - 例：0111 001 010 111101
    - 将 R1 的内容存储入 R2的内容（地址）-x2 处

(四)、立即数寻址

该模式只适用于有效地址装在指令（LEA）。LEA(1110)将增量PC与bit[8:0]的符号扩展至相加并装入bit[11:9]指定的寄存器。
LEA指令的用途是对寄存器做初始化，即向寄存器装入一个地址值，且该地址是与当前指令很相近的一个地址
- LEA(1110)
  - 直接将增量PC和指令的地址生成bit内容相加，产生的地址装入DR，无需访问内存。
  - 例：1110 101 111111101
    - 将 PC - x3 存入 R5中

四、控制指令

控制指令是指那些能够改变执行顺序的指令。
LC-3有5中操作码可以打破执行顺序：条件跳转、无条件跳转、子程序（函数）调用、TRAP、中断返回。本节主要探讨条件跳转，其余后续详细探讨。
条件跳转指令（0000）
- bit[11:9]分别对应了上述的三个条件码“所有”会对寄存器进行写操作的指令都会设置这三个条件码，这些指令包括APP、AND、NOT、LD、LDI、LDR。
- 地址计算与LD和ST指令相同，属于PC相对寻址
- 任一条件码为1时，满足条件，即可跳转。bit[11] = negative, bit[10] = zero，bit[9] = positive
- 如果三个位bit[11:9]都为1时，则三个条件码都将被检测。无论任何情况下，因之前的寄存器装入内容可能时负数、0或正数。故必然跳转，所以我们称该中情况称为无条件跳转指令。
- 例：0000 111 1100000101
  - 将跳转到 PC已增 - xFB 地址处
循环控制的两种方法
- 在某种机制的控制下，一遍一遍地被重复执行的指令称为“循环”语句。
  - 采用计数器方法：将计数器初始化为n。没执行一次循环，将计数器减1并判断其是否为0。
  - 哨兵法：此方法并不知道会循环多少次。通过对数据内容的判断来控制循环是否继续。在被处理数据序列的尾部安放一个“哨兵”，即事先知道的绝对不会出现的值。
    - 例：哨兵法数组求和(哨兵数据为-1)
      - x3000 1110 001 011111111
      - x3001 0101 011 011 1 00000
      - x3002 0110 100 001 000000
      - x3003 0000 100 000000100
      - x3004 0001 011 011 0 00 100
      - x3005 0001 001 001 1 00001
      - x3006 0110 100 001 000000
      - x3007 0000 111 111111011
    - 先向R1装入第一个要加入的数据所在的地址，将R3初始化为0，将R1指向的数据转发如R4。x3003条件跳转指令检查N位，如何N为1，则跳转出本部分指令。如果N为0，将R4中的有效数字加入R3，R1增量指向下一个内存的地址，R4装入新R1指向的内容，无条件跳转会x3003，实现循环。
JMP指令
- 条件指令不能超出“可计算”范围。但JMP指令可以表达内存空间的任意位置
- JMP(1100)
  - bit[8:6]的内容装入PC寄存器。bit[11:9]和bit[5:0]均为0
  - 例：1100 000 010 000000
    - 将R2中所存地址装入PC寄存器
TRAP指令（简述）
- TRAP(1111)
  - TRAP指令的任务是改变PC内容，使其指向操作系统所在空间内部。即以当前程序的身份跳转至操作系统的某个代码入口开始执行。TRAP指令的bit[7:0]字段表示的使“陷入矢量”。
  - 主要陷入矢量
    - 读取键盘输入 x23
    - 显示字符输出 x21
    - 中止程序 x25
  - 例：1111 0000 00100101

五、总结：数据通路（LC-3）

数据通路的基本部件
- 全局总线：包括16根线和相关的电子部件，它用于一个结构与另一个结构之间传递最多16个bit的信息。
- 内存：包含指令和数据。访问内存的第一步：将被访问内存的地址装入MAR，如果load，则向内存发送读信号，结果是内存将数据发送至MDR；如果store，则数据事先被存放至MDR，然后再向内存传送写信号，使得MDR输出的数据被装入MAR指定的内存单元。
- ALU和寄存器文件：ALU使信息处理单元，两个输入，一个来自寄存器，一个可能来自寄存器或符号扩展的立即数。寄存器文件共8个。
- PC和PCMUX：PC通过总线向MAR提供地址信息，该地址是下一个指令周期开始要获取的指令所在的地址。PC本身的输入是一个3选1 PCMUX 所提供的，复用的选择或切换取决于正在执行的指令类型。
- MARMUX：MARMUX控制信号的作用就是在laod、store或TRAP的执行期间，为其在两个地址输入中选择合适的输入。右侧输入值是增量PC或基址寄存器与IR字段内容或0的求和。左侧输入值是trap的零扩展。
指令周期
- 例：0110 011 010 000100
  - FETCH（3个时钟周期）
  - DECODE（1个时钟周期）
  - EVALUATE ADDRESS（1个时钟周期）
  - OPERAND FETCH（1个或更多时钟周期(取决内存访问的延迟)）
  - EXECUTE（0个周期）
  - STORE RESULT（1个时钟周期）
  - 共计约7个时钟周期