RISC处理器设计(二)------指令集的设计

定义指令字长为32位，并把寄存器堆扩展到32个通用32位寄存器。一套包含8个寄存器的寄存器堆，对于一个优化好的进程，足够安排所有的本地变量。采用寄存器窗技术可以提高系统的吞吐率。使CPI<1.一套32位寄存器阵列能够实现4个嵌套深度的进程。

1.指令格式的设计

指令可以分为四大类：

指令格式可以分为两大类：访存和寻址指令，无访存操作指令

访存和寻址指令：

F1：寄存器寻址

31        24    19     14             5        0

F2:偏移量间接寻址

31        24     19    14                      0

F3：绝对寻址

31     30                                      0

F4：PC间接偏移寻址

31         24      19                          0

无访存操作的指令：

F5：寄存器操作

31        24      19      14            5       0

F6：寄存器和立即数操作

31       24       19     14                     0

F7：立即数操作

31       24      19                             0

F8：特殊寄存器操作

31        24   19   14                           0

F9：特殊寄存器操作

31         24   19                         5     0

F10：可用于多种操作

31        24                              4      0

F11：可用于多种操作

31         24                                    0

指令格式含义的说明：

公共操作符表示寄存器或存储器之间的操作：

特殊寄存器的种类包括：程序计数器PC、返回地址RPC、旧PC值LPC、状态寄存器SR、向量基址寄存器VBR、硬件中断标志寄存器HWISR、异常标志寄存器EXCSR、软件中断标志寄存器SWISR、硬件中断返回程序计数器HWIRPC、异常返回程序计数器EXCRPC、软件中断返回程序计数器SWIRPC、硬件中断地址HWIADR、异常地址EXCADR。

访存类装载和存储指令：

这类指令除了从存储器中取出指令外，他们自身还要访问存储器，与存储器交换数据。一个处理器字是32位，还有2个字节的16位半字和8位字节。

按字访问的存储器地址通常受字长的限制，即地址的最低两位都是零。对于半字的读取，地址最低位是零。为了提高效率，可以对地址值仅保存不带最低两位的地址值，只在需要的时候进行扩展。

访存类指令用操作数rA、rB和rC作为地址操作数。当rA和rC表示的是寄存器RA和RC时，rB的值依赖操作数的种类。操作数可以是通用寄存器中的数值，也可以是14位常数再拓展00、01,、10、11所形成的16位数值。

存储器用4种不同的寻址方式。在索引寄存器相对寻址中(F1格式)，存储器的地址通过基址寄存器rA和索引寄存器rB求和得到。

偏移量间接寻址(F2格式)是寄存器rA和rB代表的偏移量求和得到地址的寻址方式。这种寻址方式可用于简单的矩阵数据读/写，堆栈操作和本地变量的管理。

STORE指令的rC寄存器保存操作数地址，用于将数据装载到存储器相应位置。由于处理器具有延迟装载的特性，目的寄存器在下一个周期才能完成新的数值的装载。

跳转类指令

跳转类指令(控制转移、分支跳转)通过改变程序计数器PC来改变程序流的执行顺序。紧跟着跳转类指令之后，有一条位于延迟槽中的延迟指令在程序流跳转之前执行，即使此时程序流不发生跳转，延迟指令也会进入流水线。

如果跳转指令不执行，同时延迟槽中是一条ANNUL指令，这条延迟指令才会被忽略。

绝对地址Address30(F3格式)专门供CALL指令使用。由于CALL指令的跳转目的指令只可能是32位字长的指令，所以绝对地址在最低位扩展00。

为了支持高级语言，设计PC-偏移量相对寻址的指令形式(F4格式)。BCC指令(条件跳转)包含了19位的常数偏移量，作为相对跳转地址。这个相对地址距离是用有符号数表示的，并在最低位扩展两个0。指令执行时，这个相对地址与PC中的地址值相加，这样覆盖了

范围的存储器地址空间。

子程序可以通过CALL指令调用，而子程序返回则通过综合的CTR指令RET来完成。

RISC处理器的一个特点是在CALL指令之后的返回地址是由用户负责保存的，这个返回地址是紧跟在延迟槽之后的地址。这个地址在CALL指令执行期间自动送入特殊寄存器RPC(Return -PC)，随后这个地址值只能通过特殊指令LRFS Rb,RPC 指令被保存到一个随机通用寄存器Rb中。子程序返回使用前面提到的RET Rb指令完成。

综合的跳转类指令JMP可以实现程序流向保存在寄存器中的地址处跳转。条件跳转类指令称为BCC指令，包括BGT、BLE等等。

非条件跳转包括CALL、JMP、RET、SEI、RET1和HALT指令。

运算类指令

运算类指令不需要存储器操作。这类指令用到3个操作数srcA，srcB和dest。srcA和dest分别代表寄存器地址SRCA和DEST，srcB根据opcode的定义，分别可以表示寄存器REG或者一个14位的常数立即数。

所以可以进行两个寄存器之间的运算(格式F5)，也可以进行立即数与寄存器之间的操作(格式F6)，最后还可以单独进行立即数操作(格式F7)。

处理器运算中的负数是用2的补码表示的。对于立即数，最高位将根据常数的符号位补齐32位。

逻辑运算对32位操作数是按位执行的。移位操作和循环移位执行时，数据移位的位数由寄存器SRCB中的值给出。

除了LDH指令，所有的运算类指令都可以使用带.F参数。如果指令带这个参数，运算结果的标志位将会保存进标志寄存器中，供后续的跳转指令使用。

特殊类指令

特殊类指令完成特殊寄存器与通用寄存器中数据的交换功能。对于特殊寄存器的读写权限根据内核/用户模式信号确定。

在处理器模式KERNEL_MODE下，13个特殊寄存器均可读可写。在用户模式USER_MODE下，特殊寄存器PC、RPC以及LPC可以进行读和写，但是状态寄存器SR只能进行读操作，只有最后几位SR[3:0]可以进行写操作，对其他位的写操作无效。对禁止读/写的寄存器进行操作将会导致一个异常中断PRIVILEGE_VIOLATION。还有使用不带操作数的指令格式F11的控制指令CLC。

综合指令

原文地址：https://www.cnblogs.com/1mpanda/p/8350489.html