（计算机系统结构专业论文）32位5级流水线嵌入式处理器设计.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：整塞日期：弦夕年乒月拥 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：立灶导师签名：勉 日期：9 年手月乏广日 第一章引言 1 1 课题背景与意义 第一章引言 嵌入式系统是当今非常热门的研究领域。在p c 市场己趋于稳定的今天，嵌入 式系统市场的发展速度却正在加快。由于嵌入式系统所依托的软硬件技术得到了 快速发展，因此这几年嵌入式系统自身获得了快速发展。根据美国嵌入式系统专 业杂志r t c 报道，在2 l 世纪初的1 0 年中，全球嵌入式系统市场需求量具有比p c 市 场大l o 倍到1 0 0 倍的商机。 随着片上系统( s o c ) 技术的不断发展以及嵌入式系统对处理器处理能力的需 求不断提高，3 2 位处理器i p 核已经被广泛用于s o c 以及s o p c ( 硬件可配置s o c ) 的设 计与开发当中。 商业3 2 位处理器软核主要包括a 蹦公司的a r m 系列，m i p s 公司的m i p s 3 2 系列， x i l i n x 公司的m i c r c b l a z e ，a l t e r a 的n i o s 等等，因此3 2 位嵌入式软核的开发与应 用是非常广泛的。 随着开源软件的蓬勃发展，开源的处理器软核也发展起来，由于开源处理器 软核没有任何授权费用，因此开源的处理器软核越来越受到学术界和工业界的重 视，o p e n r i s c l 2 0 0 和l e o n 处理器软核就是其中的代表，已经有不少公司和机构把 开源处理嚣软核用于产品的开发以及嵌入式系统的设计，例如v i v a c e 公司在他们 新开发的多媒体处理芯片中就采用了o p e n r i s c l 2 0 0 的软核，而法国的c o m s i s 公司 在他们新的多输入多输出( m i m o ) 无线宽带网络解决方案中就采用了最新的 l e o n 3 处理器软核。而且不少研究机构也将开源处理器软核用于研究当中，例如 美国加州大学b e r k e l e y 分校就将l e o n 3 应用于他们新的多核计算机系统研究项目 r a m p 当中，美国麻省理工学院则在他们的一个单芯片安全处理器研究项目a e g i s 中采用了o p e n r i s c 软核。 因此处理器软核的设计与开发有着重要研究价值与广阔的应用前景，而现在 的嵌入式应用对嵌入式处理器软核提出更高的要求，需要嵌入式处理器具各高度 的灵活性，可根据实际的需要实现可伸缩的配置，而且也需要处理器软核在占用 硬件资源尽可能少的情况下提高性能并保持低功耗。 电子科技大学硕士学位论文 1 2 处理器软核发展动态 a r m 公司开发了很多系列的a r m 处理器内核，a r m 代表了低功耗高性能嵌 入式处理器的最高水品，目前应用的比较多的有a r m 7 系列，a r m 9 系列， a r m 9 e 系列，a r m l 0 系列，a r m il 系列。a r m 公司最近发布了最新的 c o r t e x a 8 t m 处理器，c o r t e x - a 8 处理器是第一款基于下一代a r m v 7 架构的应用处 理器，使用了能够带来更高性能、功耗效率和代码密度的t h u m b - 2 技术。它首次 采用了强大的n e o n t m 信号处理扩展集，对h 2 6 4 和m p 3 等媒体编解码提供加 速。c o r t e x - a 8 解决方案还包括j a z e l l e - r c tj a v a 3 1 速技术，对实时( j i t ) 和动态 调适编译( d a c ) 提供最优化，同时减少内存占用空间高达三倍。此外，新处理 器还配置了用于安全交易和数字版权管理的t r u s t z o n e 技术以及实现低功耗管理的 i e m 功能。c o r t e x a 8 处理器配置了先进的超标量体系结构流水线，能够同时执行 多条指令。处理器集成了一个可调尺寸的二级高速缓冲存储器，能够同高速的 1 6 k 或者3 2 k 一级高速缓冲存储器一起工作，从而达到最快的读取速度和最大的 吞吐量。c o d e x - a 8 处理器使用了先进的分支预测技术，并且具有专用的n e o n 整 型和浮点型流水线进行媒体和信号处理。在使用小于4 平方毫米的硅片及低功耗 的6 5 纳米工艺的情况下，c o d e x - a s 处理器的运行速度将高于6 0 0 m h z ( 不包括 n e o n ，追踪技术和二级高速缓冲存储器) 。在高性能的9 0 纳米和6 5 纳米工艺 下，c o d e x a 8 处理器运行速度最高可达2 i i g h z ，从而满足高性能消费产品设计 的需要。 开源的3 2 位处理器软核l e o n 展新发布的版本为l e o n 3 ，l e o n 3 来源于欧洲航天 局开发的e r c 3 2 和l e o n 2 ，而e r c 3 2 和l e o n 2 正被用于欧洲和国际空间项哥中。 l e o n 3 基于s p a r cv 8 指令集结构，采用7 级流水线，哈佛结构。l e o n 3 支持完整的 s p a r c v 8 指令集，包括乘法指令、乘加指令和除法指令，并提供了一个可选配 的支持单精度和双精度的i e e e - 7 5 4 浮点处理单元。l e o n 3 提供了灵活的缓存系 统，可支持i 路至4 路组关联，并可选择l r u ，l r r 或随机替换机制。l e o n 3 支持同 步多处理器配置( s m p ) ，提供了缓存一致性的硬件支持。l e o n 3 在1 3 0 纳米工艺 下，运行速度可高于4 0 0 m h z ，如果综合到f p g a ，频率也可高于1 0 0 m h z 。而 l e o t l 3 f t 则提供了很高的容锚性，可适用于严酷的环境中，例如航天应用。 x i l i n ) 滏司最新推出性能优化的m i c r o b l a z e 软处理器5 0 0 版。这款3 2 位r i s c 内核现可在v i n e x - 5f p g a 器件中提供 2 4 0d m i p s 的整数处理能力，浮点运算性能 达5 0m f l o p s ，m i c r o b l a z e5 0 0 软处理器是在m i c r o b l a z e4 ，0 0 基础之上的进一步 开发，保持了指令集的后向兼容性，提供了紧密祸合的浮点单元、可配置的硬件 2 第一牵引言 乘法器、除法器单元以及缓存链等功能。为满足对更高性能的需求，x i l i n x 公 司的工程师提高了m i c r o b l a z e5 0 0 内核的时钟频率并利用增强的5 级流水线进一步 优化了其流水线效率。m i c r o b l a z e5 0 0 提供经验证的立即可用的预建配置选项， 使开发人员可以直接用于自己的嵌入式处理设计，或定制自己的处理器。其中， 缓存大小可配置为4 个字长或8 个字长，可根据应用需要来精细调整其性能。对于 指令和数据缓存，其大小可以独立配置，从而能够以最优化的方式使用内部 f p g ab i l m 资源。处理器还提供了专门用于数据密集多媒体应用的新指令。此 类指令包括模式比较指令和缺省情况下提供的用于指令搜索优化的m s r s e t c l r 指令。此外，新增加的处理器版本寄存器( p r o c e s s o rv e r s i o nr e g i s t e r ) 可用于支 持多处理器应用。处理器提供的用户可选功能可以被禁止( 当不需要时) ，从而 节约关键的逻辑资源。 a l t e r a 公司推出的是n i o si 【系列3 2 位r s i c 嵌入式处理器。n i o sl i 系列软核处 理器是a l t e r a 的第二代f p o a 嵌入式处理器，其性能超过2 0 0 d m i p s 。n i o si i 系列 包括3 种产品，分别是：n i o si f f ( 快速) 最高的系统性能，中等f p g a 使用 量；n i o si v s ( 标准) 高性能，低f p g a 使用量；n i o si i ，c ( ：经济卜唯性 能，最低的f p g a 使用量。这3 种产品具有3 2 位处理器的基本结构单元3 2 位 指令大小，3 2 位数据和地址路径，3 2 位通用寄存器和3 2 个外部中断源；使用同 样的指令集架构( i s a ) ，1 0 0 - - 进制代码兼容，设计者可以根据系统需求的 变化更改c p u ，选择满足性能和成本的最佳方案，而不会影响己有的软件投 入。特别是，n i o si i 系列支持使用专用指令。专用指令是用户增加的硬件模 块，它增加了算术逻辑单元( a l u ) 。用户能为系统中使用的每个n i o si i 处理 器创建多达2 5 6 个专用指令，这使得设计者能够细致地调整系统硬件以满足性能 目标。专用指令逻辑和本身n i o si h 日4 , 相同，能够从多达两个源寄存器取值， 可选择将结果写回目标寄存器。同时，n i o si i 系列支持6 0 多个外设选项，开发 者能够选择合适的外设，获得最合适的处理器、外设和接口组合，而不必支付 根本不使用的硅片功能。 1 3 课题研究内容 1 3 1 指令集选择 b e t a 是麻省理工学院( m i t ) 用于教学的指令集结构。b e t a 为通用的3 2 位 r i s c 体系结构：所有寄存器的宽度均为3 2 位，b e t a 指令集支持完整的整数算术逻 电予科技大学爵士学位论文 辑操作( 算术操作，比较操作，布尔操作，移位操作) 。b e t a 还可以通过不执行 任何计算的装载和存储指令来访问存储器。b e t a 是非常简洁的指令集，易于研 究，分析与设计。而且b e t a 为公开的指令集体系结构，开发基于b e t a 指令集的处 理器不需要商业授权，因此本课题选择b e t a 指令集作为开发嵌入式处理器软核的 指令集结构。在本论文中将详细的介绍b e t a ： b 令集结构。 1 3 2 流水线的实现 流水线是提高处理器性能的重要方法，通过流水线的设计可以大大提高处理 器的时钟频率。研究如何设计流水线，怎样解决流水线带来的控制冒险、数据冒 险以及在实施了流水线后如何处理异常和中断。 1 3 3c a c h e 系统的设计与实现 c a c h e 系统是现代处理器巾最重要的组成部分之一，研究不同种类c a c h e 的特 点，c a c h e 性能的评价方法，分析影响c a c h e 性能的关键因素以及实施的复杂度， 选择恰当类型的c a c h e 进行设计和实施。 1 3 4 动态分支预测 分支预测是计算机结构研究的一个前沿课题，好的分支预测算法可咀提高流 水线的效率。本课题将分析现有主要的动态分支预测技术，并在所设计的嵌入式 处理器中加入分支预测模块进行分析与研究。 1 3 5 复杂数字系统的开发与测试流程 开发嵌入式处理器的复杂度是非常高的。为保证设计和开发的正确性，本课 题将建立一套完整的开发与测试流程和规范，采用行为仿真、r t l 设计与验证以 及f p g a 硬件验证等多种方式对设计进行测试。 1 4 论文的组织 论文第二章将详细介绍b e t a t 曾令集结构，包括机器模型，完全的3 2 条指令的 编码和规范，异常处理，以及软件约定。 第三章是论文的重点，详细介绍7 b e t a 5 处理器的整体结构设计，流水线及流 水线控制器设计，旁路及旁路控制器设计，c a c h e 系统设计和动态分支预测模块 第一章引言 的设计。 第四章介绍b e t a 5 的开发与测试流程，包括行为仿真、r t l 设计与验证的流程 和方法，f p g a 开发与验证平台以及利用c h i p g c o p ep r o 在f p g a 开发平台上进行硬 件测试。 第五章总结全文并提出下一步工作的内容和方向。 电子科技大学硕士学位论文 2 1 计算机模型 第二章b e t a 指令集结构 b e t a 为通用的3 2 位体系结构：所有寄存器的宽度均为3 2 位，在访问存储器 时，可以指向按字节寻址的存储器中的任意存储单元，见图2 1。在执行读操作 时寄存器3 1 为o 值，当对寄存器3 1 执行写操作时，新值会被舍弃。 m 尊1c o t m t e r _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。_ _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ _ - - - h _ h - h _ _ _ _ 一 j 整! 竺竖! ! 也生丝 - 一3 2 b b j r c 幽t o t s e r 三三 ll e 1 2 - 3 1 三三 靠m 0 0l k ；2b l t s 一 2 2 指令编码 m a i n m e m o r y 三里垩 i s u b i p j r 4 x s $ l s t i r 3 t 0 0 0 ) 。o x f f 。f f 7 。f f 8 , 二二二二二二j m # 日e 卜一5 2 b t c s 一 图2 tb e t a 计算机模型 t ： ：b ”。， 上 每条b e t a s 日令的跃度均为3 2 位。所有整数操作均在寄存器之间进行，最多可 以带两个源操作数( 其中一个可能是一个符号扩展后的1 6 位直接量) 以及一个目 的寄存器。可以通过不执行任何计算的装载和存储指令来访问存储器。条件转移 指令与比较指令的不同之处在于：条件指令会测试某个寄存器的值，而该值很可 能是前一条比较指令的结果。 只有两种指令编码类型：不带直接量的( 见图2 2 ) 和带直接量( 1 l t e r a l ) 的 ( 见n 2 - 3 ) 。不带直接量的指令包括两个寄存器之间的算术运算指令和逻辑运算 指令( 将其结果放置在第三个寄存器中) 。带直接量的指令包括其他所有运算指 令。 第二章b e m 指令集结构 与b e t a 计算机上的所有有符号数一样，指令的直接量都被表示成二进制补码 形式。 图2 2 不带直接量的指令编码 3 12 62 52 12 01 61 5 0 图2 - 3 带直接量的指令编码 2 3 指令概述 下列列出的是3 2 个b e t a 指令及其6 位长的操作码情况。如果想了解每个指令操 作的详细情况，请参考以下各部分内容。 表2 i 操作码对应的助记符 助记符 操作码 a d d0 x 2 0 a d d c 0 x 3 0 a n d 0 x 2 8 a n d c0 x 3 8 b e 0 0 x l d b n e0 x i e c m p e q 0 x 2 4 c m p e q c0 x 3 4 c m p l e0 x 2 6 c m p l e c0 x 3 6 c m p l t 0 x 2 5 c m p l t c0 x 3 5 d i v 0 x 2 3 d i v c0 x 3 3 j m p o x l b l o0 x 1 8 l n 0 x l f l i u l 0 x 2 2 m u l c0 x 3 2 o r0 x 2 9 0 r c0 x 3 9 s h l0 x 2 c s h l c0 x 3 c 电子科技大学硕士学位论文 2 4 指令规范 s h r c o 妇d s r a 0 x 2 e s r a c 0 x 3 e s u b 0 x 2 l s u b c o x 3 l s t o x l 9 x o r 0 x 2 a x o r c0 x 3 a 基于本节包括b e t a 指令的各种规范，按字母表先后顺序列出。没有给出与时 序相关的任何信息：特别是假定本舰范中的不同指令之间不存在任何病态时序交 互作用。每条指令都被认为具有原子性，并且假定它们都在下一条执行之前完 成。没有生成有关分支预测、指令预取或是存储器缓存的任何假定。 a d d 用法：a d d ( r a , r b ，r c ) 操作码： 操作：p c p c + 4 r e g r c 一r e g r a + r e g r b 】 将寄存器r a 的内容与寄存器r b 的内容相加，再将3 2 位的和写入到寄存器r e 中。该指令不计算任何进位信息或者溢出信息。如果想要的话，可以通过显式的 比较指令来计算得到该结果。 a d d c 用法：a d d c ( r a 。l i t e r a l ，r e ) 操作码： 操作：p c p c + 4 r e g r c 一r e g r a 】+ s e x t ( 1 i t e r a l ) 将寄存器r a 的内容与直接量相加，再将3 2 位的和写入到寄存器r c 中。该指令 不计算任何进位信息或者溢出信息。如果想要的话，可以通过显式的比较指令来 计算得到该结果。 第二章b c b 指令集结构 a n d 用法：a n d ( r a ，p , b ，r 0 操作码： 操作；p c p c + 4 r e g r c 一r e g r a 】r e g r b 】 该指令执行的功能是：对寄存器r a 和r b 中的内容执行按位与布尔逻辑运算。 将运算结果写入到寄存器r c 中。 a n d c 用法：a n d c ( r a ，直接量，r 0 操作码： 操作：p c p c + 4 r e g r c 一r e g i r a & s e x t ( 1 i t e r a l ) 该指令执行的功能是：对寄存器r a 的内容和直接量执行按位与布尔逻辑运 算。将运算结果写入到寄存器r c 中。 b e q i b f 用法：b e q ( r a ，l a b e l ，r c ) b f ( r a , 1 a b e l ，r e ) 操作码： 操作：l i t e r a l = ( ( o f f s e t ( 1 a b e l ) 一o f f s e t ( c u r r e n ti n s t r u c t i o n ) ) 4 ) 一1 p c p c + 4 e a p c 十4 4 s e x t ( 1 i t e r a l 、 t e m p - r e g r a r e g r c - p c 如果t e m p = 0 ，, u p c e a 将紧接在b e q 指令之后的那条指令的p c 值( 更新的p c 值) 写入到寄存器r c 中。如果寄存器r a 的内容为零，则将目标地址装载到p c 中；否则，继续执行下一 条后继指令。 可将位移值直接量看作是一个有符号的字偏移量。这就意味者可以通过将它 乘以4 来将它转换成一个字节偏移量，再通过符号扩展来将它扩展成3 2 位，并通 9 电子科技大学硕士学位论文 过与更新的p c 值相加来形成目标地址。 b n e ，b t 用法：b n e ( r a ，l a b e l ，r c ) b t ( r a ，l a b e l ，r c ) 操作码： 操作：l i t e r a l = ( ( o f f s e t ( 1 a b e l ) 一o f f s e t ( c u r r e n t i n s t r u c t i o n ) ) 4 ) 一1 p c p c + 4 e a + 一p c + 4 + s e x t ( 1 i t e r a l ) t e m p r e g r a 】 r e g r c 一p c 如果t e m p 0 ，则p c e a 将紧接在b n e 指令之后的那条指令的p c 值( 更新的p c 值) 写入到寄存器r c 中。如果寄存器r a 的内容为非零值，则将目标地址装载到p c 中；否则，继续执行 下一条后继指令。 可将位移值直接量看作是个有符号的字偏移量。这就意味着可以通过将它 乘以4 来将它转换成一个字节偏移量，再通过符号扩展来将它扩展成3 2 位，并通 过与更新的p c 值相加来形成目标地址。 c m p e q 用法：c m p e q ( r a ，i m 皿c ) 操作码： 操作：p c p c + 4 如果a e g r a l = r e g r b ，则r e g r e 】一l ；否则，p e g r c 】一0 如果寄存器r a 的内容与寄存器r b 的内容相等，则将第一个值写入到寄存器r c 中；否则，将零写入到寄存器r c 中。 c m p e q c 用法；c m p e q c 但a ，l i t e r a l ，r e ) 操作码： 操作：p c p c + 4 如果r e g r a = s e x t ( 1 i t e r a l ) ，则r e g r c 】一1 ；否则，r e g r c 】一0 第二章b e t a 指令集结构 如果寄存器r a 的内容与直接量相等，则将第一个值写入到寄存器r c 中；否 则，将零写入到寄存器r c 中。 c m p l e 用法；c m p l e ( r a ，r b ，r e ) 操作码； 操作：p c p c + 4 如果r e g r a ! r e g r b ，贝o r e g r c 】一1 ；否则，r e g r e 一0 如果寄存器r a 的内容小于或者等于寄存器r b 的内容，则将第一个值写入到寄 存器r c 中；否则，将零写入到寄存器r c 中。 c m p l e c 用法： c m p l e c ( r a ，l i t e r a l ，r c ) 操作码： 操作：p c p c4 - 4 如果r e g r a 】ss e x t ( 1 i t e r a l ) ，t j l , i j r e g r e 一1 ；否则，r c g r c 】一0 如果寄存器r a 的内容小于或者等于直接量，则将第一个值写入到寄存i n - r e 中；否则，将零写入到寄存器r c 中。 c m p l t 用法：c m p l t ( r a ，r b ，r e ) 操作码： 操作：p c p c + 4 如果r e g r a 】 r e g r b ，j j r e g r c 一l ；否则，r e g r e 】一0 。 如果寄存器r a 的内容小于寄存器r b 的内容，则将第一个值写入到寄存器r c 中：否则，将零写入到寄存器r c 中。 c m p l t c 用法；c m p l t c 限a l i t e r a l ，r e ) 操作码： 操作：p c p c4 - 4 如果r e g r a 】 s e x t ( 1 i t e r a l ) ，则r e g r e 】一l ；否则，r e g r e 一0 电子科技大学硕士学位论文 如果寄存器r a 的内容小于直接量，则将第一个值写入到寄存器r c 中；否则， 将零写入到寄存器r e 中。 d i v 用法：d w ( r a ，r b ，r e ) 操作码： 操作：p c p c + 4 r e g r e 】一r e g r a r e g r b 】 将寄存器r a 的内容除以寄存器r b 的内容，再将低3 2 位的商值写入到寄存器r c 中， d i v c 用法：d i v c ( r a ，l i t e r a l , r e ) 操作码： 操作：p c p c + 4 r e g r e 】一r e g r a s e x t ( 1 i t e r a l ) 将寄存器r a 的内容除以直接量，再将低3 2 位的商值写入到寄存器r e 中。 j m 田 用法：j m p ( r a , r c ) 操作码： 操作：p c p c + 4 e a r e g r a & o x f f f f f f f c r e g r e 】一p c p c e a 将紧接在j m p 指令之后的那条指令的p c 值( 更新的p c 值) 写入到寄存器r c 中，再将哿存器r a 的内容装载到p c 中。寄存器r a 的低两位被屏蔽，以确保目标 地址是以4 字节为界来进行排列。r , a 和r e 可能会指定相同寄存器，这样，就会使 用分配新值之前的旧值来计算目标地址。未使用的直接量字段应该用零来填充。 注意：j m p 可以清除管理位( p c 的第3 1 位) ，但不能对它进行设置。 l d 用法：l d ( r a ，l i t e r a l ，r e ) 第二荜b e t a 指夸集结构 操作码： 操作：p c - p c + 4 e a p e g 限a 】+ s e x t ( 1 i t e r d ) r e g r c 一m e m e a 】 有效地址e a 的计算方法是：将寄存器r a 的内容与符号扩展后得到的1 6 位位 移值直接量相加。将e a 指定的存储器存储单元读入到寄存器r c 中。 l d r 用法：l d r ( 1 a b e l 。r e ) 操作码： 操作：l i t e r a l = ( ( o f f s e t ( 1 a b e l ) 一o f f s e t ( c u r r e n ti n s t r u c t i o n ) ) i4 卜1 p c p c + 4 e a p c 4 + s e x t ( 1 i t e r a l ) r e g r c 】一m e m e a 】 有效地址e a 的计算方法是：先将符号扩展后得到的直接量乘以4 ( 将它转换 成字节偏移值) ，再将该结果与更新的p c 相加。将e a r s 定的存储器存储单元读 入到寄存器r e 中。r a 字段被忽略，并且应该令其为1 1 1 1 l ( r 3 1 ) 。在计算e a 时，管理位( p c 的第3 l 位) 被忽略( 例如，将它当作零来处理) 。 m u l 用法：m u l ( r a , r b ，r e ) 操作码： 操作：p c p c + 4 r e g r c 】一r e g r a 。r e g r b 】 将寄存器r a 的内容乘以寄存器r b 的内容，再将低3 2 位的乘积写入到寄存器r e 中。 0 一 r 一 一 m 砧 一r 一二i = 偎 一 一吣 c 一 l 一 一卜姗丑卧 警篙 电子科技大学硕士学位论文 r e g r c 】一r e g r a s e x t ( 1 i t e r a l ) 将寄存器r a 的内容乘以直接量，再将低3 2 位的乘积写入到寄存器r c 中。 o r 用法：o r ( r a ，r b ，r e ) 操作码； 操作：p c p c + 4 r e g r c 】一r e g r a llr e g r b 】 该指令执行的功能是：对寄存器r a 的内容和寄存器r b 的内容执行按位或布尔 逻辑运算。将运算结果写入到寄存器r c 中。 o r c 用法：o r c ( r a ，l i t e r a l ，r e ) 操作码： 操作：p c p c + 4 r e g r c 】一r e g i r a lis e x t ( 1 i t e r a l ) 该指令执行的功能是：对寄存器r 丑的内容和直接量执行按位或布尔逻辑运 算。将运算结果写入到寄存器r c 中。 s h l 用法：s h l ( r a ，r b ，r e ) 操作码： 操作：p c p c 十4 r e g r c 】一r e g r a l “r e g r b ( 4 ：o ) 将寄存器r a 的内容左移0 3 1 位，左移的具体位数由寄存器r b 中的5 位数来指 定。将运算结果写入到寄存器r c 中。零被复制到空出的各个位中。 s h l c 用法：s h l c ( r a ，l i t e r a l ，r e ) 操作码： 操作：p c p c + 4 r e g r e 一r e g r a 】“l i t e r a l ( 4 ：o ) 1 4 第= 毒b e t a s 令集结构 将寄存器r a 的内容左移0 3 1 位， 定。将运算结果写入到寄存器r c 中。 s h r 用法：s h r ( r a ，r b ，r c ) 操作码： 左移的具体位数由直接量中的5 位数来指 零被复制到空出的各个位中。 操作：p c p c + 4 r e g r c l 一r e g r a ”r e g r b ( 4 ：o ) 将寄存器r a 的内容右移0 3 1 位，右移的具体位数由寄存器r b 中的5 位数来指 定。将运算结果写入到寄存器r c 中。零被复制到空出的各个位中 s h r c 用法：s h r c 僻a ，i i t e r a l , r c ) 操作码： 操作：p c p c + 4 r c g 畔c 】一r e g r a 】) ，l i t e r a l ( 4 ：0 ) 将寄存器r a 的内容右穆0 3 1 位，右移的具体位数由直接量中的5 位数来指 定。将运算结果写入到寄存器r c 中。零被复制到空出的各个位中。 s r a 用法：s r a ( r a ，r b ，r c ) 操作码： 操作：p c p c + 4 r e g r c 一r e g i r a 】”r e g r b ( 4 ：o ) 将寄存器r a 的内容算术右移0 3 1 位，算术右移的具体位数由寄存器r b 中的5 位数来指定。将运算结果写入到寄存器r c 中。符号位( r e g r a 3 1 ) 被复制到空 出的各个位中。 s r a c 用法：s r a c ( r a ，l i t e r a l ，r e ) 操作码： 操作：p c p c + 4 电子科技大学硕士学位论士 r e g r e 】一r e g r a 卜 l i t e r a l ( 4 ：o ) 将寄存器r a 的内容算术右移0 3 1 位，算术右移的具体位数由直接量中的5 位 数来指定。将运算结果写入到寄存器r c 中。符号位( r e g r a 3 1 ) 被复制到空出 的各个位中。 s t 用法：s t ( r e ，l i t e r a l ，r a ) 操作码： 操作：p c p c + 4 e a r e g r a 】+ s e x t ( 1 i t e r a l ) m e r e h a 】一r e g r c 】 有效地址e a 的计算方法是：将寄存器r a 的内容与符号扩展后得到的1 6 位位 移值直接量相加。再将寄存器r c 的内容写入到由e a 指定的存储器存储单元中。 s u b 用法：s u b ( r a ，r b ，r c ) 操作码： 操作：p c p c + 4 r e g r c 】一r e g r a 】一r e g r b 】 将寄存器r 丑的内容减去寄存器r b 的内容，再将3 2 位的差值写入到寄存器r c 中。该指令不对任何借位信息或者溢出信息进行计算。如果想要的话，可以通过 显式的比较指令来计算得到该结果。 s u b c 用法：s u b c ( r a ，l i t e r a l ，r c ) 操作码： 操作；p c p c 4 - 4 r e g 噼c 】一r e g r a 一s e x t ( 1 i t e r a l ) 将寄存器r a 的内容减去常量直接量，再将3 2 位的差值写入到寄存器r c 中。该 指令不对任何借位信息或者溢出信息进行计算。如果想要的话，可以通过显式的 比较指令来计算得到该结果。 x o r 第二章b e t a 指令榘结构 用法：x o r ( r a ，r b ，r c ) 操作码： 操作：p c p c + 4 r e g r e 一r c g r a “r e g r b 】 该指令执行的功能是：对寄存器r a 的内容和寄存器r b 的内容执行按位异或布 尔逻辑运算。将运算结果写入到寄存器r c 中。 x o r c 用法：x o r c ( r a ，l i t e r a l ，r o 操作码： 操作；p c p c + 4 r e g r c br e g r a 】“s e x t ( 1 i l e r a l ) 该指令执行的功能是：对寄存器r a 的内容和直接量执行按位异或布尔逻辑运 算。将运算结果写入到寄存器r c 中。 2 5 异常处理的扩充 为了支持异常指令和特权指令，需要对上述标准的b e t a 计算机体系结构进行 以下扩充。 2 5 1 异常 b c t a 异常表现为三种形式：陷阱、故障和中断。 陷阱和故障都是指令的直接结果( 例如，试图执行一个非法的操作码) ，并 且它们是按照程序员的主观意图来进行区分的。陷阱是有意的，通常被用来请求 来自操作系统的服务。故障不是故意的，通常意味着产生了错误的条件。 中断与指令流不同步，通常由外部事件来产生( 例如，一个字符显现在输入 设备上) 。 2 5 。2x p 寄存器 寄存器3 0 被专门用作“异常指针”( x p ) 寄存器。当异常产生时，将更新的p c 值写入到呻。就陷阱和故障而言，是指紧随在造成故障的指令之后的那条指令 电子科技大学硕士学位论文 的p c 值；就中断而言，是指紧随在中断发生时准备执行的指令之后的那条指令的 p c 值。而由x p 4 指向的那条指令还没有执行。 由于x p 被当作中断结果进行重写的次数很可能是不可预知的，所以在允许中 断时，它不能被用户模式程序使用。 2 5 3 管理模式 p c 的商位被专门用作“管理”位。指令提取和l d r 指令忽略该管理位，将它当 作零看待。允许j m p 指令清除管理位，但不能对它进行设置，并且其他任何指令 都不可能对它产生任何影响。只有因管理位造成的异常才适合对它进行设置。 在对管理位进行清除时，处理器被认为处于“用户模式”。而在用户模式下， 中断是允许的。 在对管理位进行设置时，处理器被认为处于“管理模式”。而在管理模式下， 中断是禁用的，并且很可能会使用特权指令( 参见以下所述内容) 。陷阱和故障 在管理模式下都具有定义好的实现效果( 很可能是致命的) 。 由于j m p 指令能够清除管理位，所以很可能将某个新值装载n p c 中，并且通 过采取某个原子动作就可以进入到用户模式。这样，就为从陷阱返回到操作系统 提供了某神安全机制，特别是在中断处于挂起状态时更是如此。 2 5 4 异常处理 当产生异常并且处理器处于用户模式时，将更新的p c 值写入到x p 中，对管 理位进行设置，将某个定义好的实现值装载到p c 中，并且处理器开始执行该点的 指令。该值被称为“异常向量”，并且很可能依赖于所产生的异常类型。 所有实现都必须支持的惟一异常是“复位”异常( 也称为“加电”异常) ，它在 处理器执行任何指令之前立即产生。加电异常向量通常为零。因此，在加电时， 对管理位进行设置，x p 是未定义的，并且从存储器的存储单元0 开始执行。 2 5 5 特权指令 有些指令在管理模式下是可用的，而在用户模式下是不可用的( 例如，直接 与f o 设备进行交互的那些指令) 。这些指令被称为“特权指令”。特权指令经常带 有操作码0 x 0 0 ；否则，它们的格式和语义都是定义好的实现方式。在用户模式下 尝试使用特权指令时，将会产生非法指令异常。 第二章b e t a 于自_ 令集结构 2 6 软件约定 本部分描述的是用来补充基本体系结构的软件编程约定。 2 6 1 保留的寄存器 为标准用法保留某些寄存器很方便。为硬件自身保留的寄存器是r 3 1 和r 3 0 ： 此外，为软件约定保留的寄存器是r 2 9 、r 2 8 和r 2 7 。 这些保留的寄存器情况如下表所述，更完整的描述请参见下文。 表2 - 2 保留的寄存器 寄存器符号用法 r 3 1r 3 1通常为零 r 3 0 x p异常指针 r 2 9s p 堆栈指针 r 2 8l p 连接指针 r 2 7b p栈帧基址指针 2 6 2 有用的宏 除了基本b e t a 目令集，增加了下面这些宏，使之能够受轻松地表示某些常用 操作： 表2 3 宏的定义 宏定义 b e q ( r a ，l a b e l )b e q ( r a ，l a b e l ，r 3 1 ) b f ( r a ，l a b e l )b f ( r a ，l a b e l ，r 3 1 ) b n e ( r a ，l a b e l )b n e ( r a ，l a b e l ，r 3 1 ) b t ( r a ，l a b e l )b t ( r a ，l a b e l ，r 3 1 ) b r ( 1 a b e l ，r c )b e q ( r 3 1 ，l a b e l ，r e ) b r ( 1 a b e l )职( 1 a b e l ，r 3 1 ) 3 m p ( r a )j m p ( r a ，r 3 1 ) l d ( 1 a b e l ，r c ) l d ( r 3 1 ，l a b e l r e ) s t ( r c ，l a b e l )s t ( r e ，l a b e l ，r 3 1 ) m 0 v e ( r a 。r c )a d d ( r a 。r 3 1 。r c ) c m o v e ( c ，r c )a d d c ( r 3 1 ，e 。r e ) a d d c ( s p ，4 ，s p ) p u s h ( r a ) s t ( r a ，一4 ，s p ) l d ( s p ，一4 ，r c ) p o p ( r e ) s u b c ( s p ，4 ，s p ) 电子科技大学硕士学位论立 2 。6 3 堆栈实现 s p 是保留用作指向栈顶的寄存器。堆栈是指存储器中的某个任意邻近区域。 s p 的内容通常是4 的倍数，并且每个栈槽是4 个字节。s p 指向恰好位于堆栈最顶端 元素的特定区域。堆栈在存储器中是向上增长的( 例如，向更高的地址方向增 长) 。为了对堆栈进行操作，定义了以下四个宏； p u s h ( r a 卜一将寄存器r a 的内容压入到堆栈中 p o p 限c 卜一将堆栈元素弹入到寄存器r c 中 a l l o c a t e ( k ) 一将未初始化的数据字压入到堆栈中 d e a l l o c a t e ( k 卜_ 将数据字弹出堆栈，并且丢弃 2 6 4 过程连接 过程参数被传递到堆栈中。特别是在进入到某个过程中时，堆栈最顶端的元 素就是该过程的第一个参数；堆栈中的下一个元素是该过程的第二个参数，其余 依此类推。过程的返回地址被传递到l p 中，l p 是专门为该目的而保留的一个寄存 器。过程将其值( 如果有的话) 返回到寄存器r o t ，并且必须不改变其他所有寄 存器( 包括保留的寄存器) 的内容。 因此，一个名称为f 的过程的典型调用情况如下所示： ( p u s ha r g n - 1 ) ( p u s ha r g d ( p u s ha r g o ) b r ( f ，l p ) d e a l l o c a t e ( n ) ( 使用了寄存器r o ，它目前是f ( a r g o ，a r g l ，a r g n - 1 ) ) 2 6 5 栈帧 上一节中描述了在对过程正确执行互操作时所必须遵守的规则。本节描述的 是在编写过程程序时遵守这些规则的常规方法。 过程调用要求其参数、局部变量以及必须保存和恢复的任何寄存器占用一定 籀二章b e m 目令集结构 的存储空间。所有这些存储空间被分配到堆栈中一个名叫“栈帧”的连续区域。进 入过程时 毫t 活”栈帧，并且在退出时“释放”该栈帧。b p 是一个保留的寄存器，它 指向当前激活栈帧中的某个固定位置。过程使用标准的开头和结尾形式来激活或 者“释放栈帧。 标准的开头形式是： p u s h ( l p ) p u s h p ) m o v e ( s p ，b p ) a l l o c a t e ( k ) i 为局部变量分配空间 ( 压入被过程所使用的寄存器) 注意：如果没有任何局部变量或是没有任何需要保存的寄存器，则上述最后 两个步骤中的任何一个步骤都可以省略。 标准结尾形式是： ( 弹出过程所使用的寄存器) m o v e ( b e ，s p ) l 释放为局部变量分配的空间 p o p p ) p o p ( l p ) j m p ( l p ) 注意：结尾部分假定开头部分的主体不对栈指针产生任何影响。还应该注意 的是：如果没有任何局部变量或是没有任何需要恢复的寄存器，则上述前两个步 骤中的任何一个步骤或者这两个步骤都可以省略。 将标准开头形式和结尾形式与参数传递约定放在一起，意味着得到了如图2 4 所示的栈帧格式： 2 1 电子丰 技大学