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：and、andi、or、ori、xor、xori、nor、lui。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：sll、sllv、sra、srav、srl、srlv。

      MIPS32指令集架构中定义的空指令有2条：nop、ssnop。

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sync、pref这2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。

      1、and、or、xor、nor

      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。

      2、andi、xori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。

      3、lui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。

      4、sll、sllv、sra、srav、srl、srlv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：sllv、srav、srlv这3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，sll、sra、srl这3条指令的助记符最后没有“v”，表示移位位数就是指令中6-10bit的sa的值。

      5、nop、ssnop、sync、pref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nop、ssnop、sync这3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nop、ssnop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nop、ssnop的效果。所以nop、ssnop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！