自己动手写CPU之第五阶段(3)——MIPS指令集中的逻辑、移位与空指令

将陆续上传本人写的新书《自己动手写CPU》(尚未出版),今天是第17篇。我尽量每周四篇


5.4 逻辑、移位操作与空指令说明

      MIPS32指令集架构中定义的逻辑操作指令有8条:andandiororixorxorinorlui。当中ori指令已经实现了,本章要实现其余7条指令。

      MIPS32指令集架构中定义的移位操作指令有6条:sllsllvsrasravsrlsrlv

      MIPS32指令集架构中定义的空指令有2条:nopssnop

当中ssnop是一种特殊类型的空操作。在每一个周期发射多条指令的CPU中,使用ssnop指令能够确保单独占用一个发射周期。OpenMIPS设计为标量处理器,也就是每一个周期发射一条指令,所以ssnop的作用与nop同样。能够依照nop指令的处理方式来处理ssnop指令。

      另外,MIPS32指令集架构中还定义了syncpref2条指令,当中sync指令用于保证载入、存储操作的顺序,对于OpenMIPS而言,是严格依照指令顺序运行的,载入、存储操作也是依照顺序进行的,所以能够将sync指令当作nop指令处理,在这里将其归纳为空指令。pref指令用于缓存预取,OpenMIPS没有实现缓存,所以也能够将pref指令当作nop指令处理,此处也将其归纳为空指令。

      以上17条指令依照格式、作用的不用,又可分为几类,分别说明例如以下。

      1andorxornor

      这4条指令的格式如图5-10所看到的。从图中能够发现这4条指令都是R类型指令。而且指令码都是6'b000000,也就是MIPS32指令集架构中定义的SPECIAL类。此外,第6-10bit都为0,须要根据指令中0-5bit功能码的值进一步推断是哪一种指令。


  •  当功能码是6'b100100时,表示是and指令。逻辑“与”运算

      指令使用方法为:and rd, rs, rt

      指令作用为:rd <- rs AND rt,将地址为rs的通用寄存器的值。与地址为rt的通用寄存器的值进行逻辑“与”运算。运算结果保存到地址为rd的通用寄存器中。

  •  当功能码是6'b100101时。表示是or指令,逻辑“或”运算

      指令使用方法为:or rd, rs, rt

      指令作用为:rd <- rs OR rt。将地址为rs的通用寄存器的值,与地址为rt的通用寄存器的值进行逻辑“或”运算,运算结果保存到地址为rd的通用寄存器中。

  •  当功能码是6'b100110时,表示是xor指令,异或运算

      指令使用方法为:xor rd, rs, rt

      指令作用为:rd <- rs XOR rt,将地址为rs的通用寄存器的值,与地址为rt的通用寄存器的值进行逻辑“异或”运算,运算结果保存到地址为rd的通用寄存器中。

  •  当功能码是6'b100111时,表示是nor指令。或非运算

      指令使用方法为:nor rd, rs, rt

      指令作用为:rd <- rs NOR rt。将地址为rs的通用寄存器的值。与地址为rt的通用寄存器的值进行逻辑“或非”运算,运算结果保存到地址为rd的通用寄存器中。

      2andixori指令

      这2条指令的格式如图5-11所看到的。从图中能够发现这2条指令都是I类型指令,能够根据指令中26-31bit指令码的值推断是哪一种指令。

 

 

  •  当指令码是6'b001100,表示是andi指令,逻辑“与”运算

      指令使用方法为:andi rt, rs, immediate

      指令作用为:rt <- rs AND zero_extended(immediate)。将地址为rs的通用寄存器的值,与指令中马上数进行零扩展后的值进行逻辑“与”运算,运算结果保存到地址为rt的通用寄存器中。

  •  当指令码是6'b001110。表示是xori指令。异或运算

      指令使用方法为:xori rt, rs, immediate

      指令作用为:rt <- rs XOR zero_extended(immediate)。将地址为rs的通用寄存器的值。与指令中马上数进行零扩展后的值进行逻辑“异或”运算,运算结果保存到地址为rt的通用寄存器中。

      3lui指令

      lui指令的格式如图5-12所看到的。

从图中能够发现lui指令是I类型指令,能够根据指令中26-31bit指令码的值是否为6'b001111。从而推断是否是lui指令。


      指令使用方法为:lui rt, immediate

      指令作用为:rt <- immediate || 016,将指令中的16bit马上数保存到地址为rt的通用寄存器的高16位。另外。地址为rt的通用寄存器的低16位使用0填充。

      4sllsllvsrasravsrlsrlv指令

      这6条指令的格式如图5-13所看到的,从图中能够发现这6条指令都是R类型指令。而且指令码都是6'b000000。也就是都是SPECIAL类,须要根据指令中0-5bit功能码的值进一步推断是哪一种指令。


  •  当功能码是6'b000000,表示是sll指令,逻辑左移

      指令使用方法为:sll rd, rt, sa

      指令作用为:rd <- rt << sa (logic),将地址为rt的通用寄存器的值,向左移sa位。空出来的位置使用0填充。结果保存到地址为rd的通用寄存器中。

  •  当功能码是6'b000010,表示是srl指令。逻辑右移

      指令使用方法为:srl rd, rt, sa

      指令作用为:rd <- rt >> sa (logic),将地址为rt的通用寄存器的值,向右移sa位,空出来的位置使用0填充,结果保存到地址为rd的通用寄存器中。

  •  当功能码是6'b000011。表示是sra指令,算术右移

      指令使用方法为:sra rd, rt, sa

      指令作用为:rd <- rt >> sa (arithmetic),将地址为rt的通用寄存器的值,向右移sa位。空出来的位置使用rt[31]的值填充,结果保存到地址为rd的通用寄存器中。

  •  当功能码是6'b000100。表示是sllv指令,逻辑左移

      指令使用方法为:sllv rd, rt, rs

      指令作用为:rd <- rt << rs[4:0](logic)。将地址为rt的通用寄存器的值。向左移位,空出来的位置使用0填充,结果保存到地址为rd的通用寄存器中。移位位数由地址为rs的寄存器值的0-4bit确定。

  •  当功能码是6'b000110,表示是srlv指令。逻辑右移

      指令使用方法为:srlv rd, rt, rs

      指令作用为:rd <- rt >> rs[4:0](logic),将地址为rt的通用寄存器的值,向右移位,空出来的位置使用0填充。结果保存到地址为rd的通用寄存器中。

移位位数由地址为rs的寄存器值的0-4bit确定。

  •  当功能码是6'b000111,表示是srav指令,算术右移

      指令使用方法为:srav rd, rt, rs

      指令作用为:rd <- rt >> rs[4:0](arithmetic),将地址为rt的通用寄存器的值,向右移位。空出来的位置使用rt[31]填充,结果保存到地址为rd的通用寄存器中。

移位位数由地址为rs的寄存器值的0-4bit确定。

      总结来说。这六条移位操作指令能够分为两种情况:sllvsravsrlv3条指令的助记符最后有“v”。表示移位位数是通过寄存器的值确定的,sllsrasrl3条指令的助记符最后没有“v”,表示移位位数就是指令中6-10bitsa的值。

      5nopssnopsyncpref指令

      这4条指令的格式如图5-14所看到的。从图中能够发现nopssnopsync3条指令都是R类型指令,而且指令码都是6'b000000。也就是都是SPECIAL类。


      更进一步,能够发现nopssnop两条指令的功能码都是6'b000000,与之前介绍的逻辑左移指令sll的功能码同样。这样在译码的时候会不会有冲突:nop指令的二进制码与sll $0,$0,0的二进制码一样,处理器怎样译码?ssnop指令的二进制码与sll $0,$0,1的二进制码一样,处理器怎样译码?

nop      =     sll $0,$0,0
ssnop    =     sll $0,$0,1

      事实上两者是等价的。sll指令向$0寄存器保存移位结果,实际不会有不论什么效果,由于不管向$0写不论什么数,其值始终为0,所以效果等同于什么都不做,这也正是空指令nopssnop的效果。所以nopssnop指令不用特意实现,全然能够当作特殊的逻辑左移指令sll


下一次将实现上面介绍的逻辑、移位、空指令,敬请关注!
posted @ 2016-02-23 20:39  yxwkaifa  阅读(21147)  评论(0编辑  收藏  举报