LC3、MIPS32、RISC-V指令集架构整理_lc3指令

LC-3

寻址

LC-3可寻址空间大小是2的16次方，寻址基本单位是16位。我们将这16位称为一个字，LC-3是字寻址。

寻址模式

立即数寻址、寄存器寻址、相对寻址、间接寻址、基址偏移

寄存器

临时存储空间——寄存器。LC-3中提供了一组通用寄存器。

寄存器的特性：

（1）记忆特性 ：存储信息可读，大小是一个字（16bit）

（2）独立寻址 ：LC-3中提供了8个GPR——R0、R1...R7

指令集

指令由操作码和操作数组成——操作码和操作数。

操作码

指令的 bit【15：12】。 指令可分为运算、数据搬移和控制。

数据类型——补码整数

条件码——N Z P

操作指令

LC-3只支持三种操作指令 ADD AND NOT

NOT 操作码 1001 在15-12，源寄存器 在8-6，11-9位目的寄存器，bit5-0全为1。

ADD 操作码 0001 AND操作码 0101 双操作数 他们都需要两个16位源操作数。ADD指令执行两个操作数的补码假发，AND执行按位与。 源操作数均为bit[8:6],目的操作数均为bit[11:9]。 均为寄存器寻址方式。

搬移指令

LC-3有7种搬移指令：LD、LDR、LDI、LEA、ST、STR、STI

load和store指令格式如下：

数据搬移需要两个操作数，其中一个必然是寄存器，另一个是内存或输入/输出设备。

bit【11：9】 标识操作数之一，即寄存器。若为load指令，则代表目的寄存器，若为store指令，则该寄存器内容将被写入内存。bit【8:0】是地址生成位。

PC相对寻址

LD（opcode=0010）和ST（opcode=0011）采用PC相对寻址。bit[8:0]代表当前PC的偏移值。地址计算方法是先将bit[8:0]内容做16位作战，然后与PC相加。

间接寻址

LDI(opcode = 1010) 和 STI （opcode = 1011）采用间接寻址模式。该地址存放的是另一个地址，存放的地址才是load或store操作数的真正地址。因此称为间接寻址。bit[11:9]标识了LDI的目的寄存器和STI的源寄存器。

基址偏移寻址

LDR(opcode = 0110)和STR(opcode = 0111)采用基地址+偏移的寻址模式。操作数的弟子hi由6bit偏移量的符号拓展和基地址寄存器的内容相加而成。6-bit的偏移量来源于指令的bit[5：0]字段，而基地址寄存器则由指令的bit[8:6]字段标识。

6bit补码使用时先符号拓展为16位值，然后与基地址寄存器相加。

立即数寻址

LEA有效地址装载指令 opcode = 1110.将增量PC与 bit[8:0]的符号扩展值相加并装入bit[11:9]指定的寄存器。

LEA指令用于对寄存器初始化，向寄存器装入一个地址的值。

控制指令

能够改变指令执行顺寻的指令。

包括五种：条件跳转、无条件跳转、子程序调用、TRAP、中断返回。

条件跳转指令 opcode = 0000

bit[11:9] 分别对应三个条件码 。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——ADD AND NOT LD LDI LDR LEA

取指令和译码节拍正常进行，在取指令节拍之后，PC自动增量。地址计算节拍也与LD和ST指令相同。而在执行节拍，处理器将检测某个条件码是否为1.若任意一个为1，则PC内容重新修改。若三位都是1，则三个条件码都将被检测，PC内容必然要更新，即装入在地址计算阶段得出的地址。

JMP指令 opcode = 1100

将寄存器bit[8:6]的内容装入PC寄存器

TRAP指令 opcode = 1111

改变PC内容。

指令周期控制方式

（1）FETCH

取指令节拍。PC寄存器提供访问内容的地址。在第一个时钟周期，PC内容通过全局总线被装入MAR，同时PC自加。在下一个周期 内存返回值被装入MDR，再下一个周期，MDR内容被转入IR寄存器。

（2）DECODE

IR的内容被译码，由控制逻辑产生对应的信号。控制指令的下面操作郭程根据操作码选择寻址模式。并进行操作

（3）EVALUATE ADDRESS

在下一个时钟周期，开始地址的相关计算。将寄存器和IR的内容进行操作，并通过MARMUX开关传入MAR。

（4）OPERAND FETCH

在下一个时钟周期，该地址内存单元的数据被转入MDR。

（5)EXECUTE

节拍，部分指令直接跳过

（6）STORE RESULT

存储结果。

32位MIPS指令集架构分析

寄存器

MIPS体系结构有32个寄存器。寄存器越少访问速度越快。

MIPS使用18个寄存器存储变量 $S0~$S7和$t0~$t9。由$s开头的寄存器称为保存寄存器（saved register），存储如a，b，c的变量。其还有一个特殊用途——函数调用。$t开偷的寄存器为临时寄存器，存储临时变量。

存储器

MIPS使用字节寻址存储器

lw指令指定内存有效地址为基地址与偏移量的和。

MIPS使用存储字指令sw从寄存器向存储器写数据字。

使用方法：lw 目标寄存器 偏移量（基地址寄存器）

sw 寄存器 偏移量（基地址存储器）

字节存储器的两种组织方式——大端和小端。大端 第0个字节在MSB（最高有效字节；小端 第0个字节在LSB。

立即数

MIPS中 立即数使用16位补码表示，范围在[-32768,32767]

lw sw addi支持立即数

指令集格式

1. 三个寄存器操作数 如add 、sub——————R类型

2. 两个寄存器操作数和一个16位立即数————I类型

3. 一个26位立即数，没有寄存器操作数————J类型

指令集分类

R类型（register-type)

包括3个寄存器操作数——两个为源操作数，一个为目的操作数

操作编码： op——操作码 funct——函数

R类型中op都是0，功能由funct定义。

源寄存器 rs rt

目的寄存器 rd

shamt 用于移位操作

I类型（immediate-type）

立即数类型

指令的操作由op决定

操作数在rs、rt、imm三个字段产生。

rs和imm用作源操作数。rt有时用作源操作数，有时用作目的操作数

imm 立即数 为负时，16位有符号二进制补码数

NOTE: imme只有16位 但是却用于32位运算。32位中的高16 对于正立即数，前16位全0，负立即数前16位全1.（符号位拓展）但是在逻辑操作（andi、ori、xori）中，高位为0——0拓展。

J类型（jump-type）

仅用于跳转指令。

addr 地址操作数。

操作指令由opcode决定。

因此，解释机器语言，首先看高6位是否为全0，是则为R，否则为I或J。

寻址方式

寄存器寻址——R类型

立即数寻址——部分I类型 如 addi lui

基地址寻址——存储器访问 如sw lw

PC相对寻址——条件分支指令

伪地址寻址——J类型。

26位编码JTA（jump target address 跳转目标地址）但是JTA最低两位总是0因为指令是字对齐的 。下一个26位JTA[27：2]由addr指出，最高位JTA[31:28]由PC+4的最高位得到。

指令周期控制方式

单周期

多周期

流水线

编程

RISC-V指令集结构分析

指令集格式

寄存器-寄存器操作的R类型指令

短立即数和访存load操作的I型指令

用于访存store的S型指令

用于条件跳转操作的B类型指令

用于长立即数的U型指令

用于无条件跳转的J型指令

编程

寄存器

RV32I 有 31 寄存器加上一个值恒为 0 的 x0 寄存器。

RISC-V 选择了小尾端字节序

NOTE： RISC-V中没有字节或半字宽度的整数计算操作。操作始终是以完整的寄存器宽度。

寻址方式

立即数寻址 ： 操作数 是 指令本身的常量

寄存器寻址 ： 操作数在寄存器中

基地址或偏移寻址： 操作数于内存中，其地址是寄存器和指令中的常量之和。

PC相对寻址：分支地址是PC和指令中常量之和。

汇编指令格式

其中x0寄存器始终为0.

无对x0的要求。

RISC-V处理器采用5指令周期控制方式方式

(1) 从存储器中取出指令

(2) 读寄存器并译码指令

(3) 执行操作或计算地址

(4) 访问数据存储器中的操作数

(5) 将结果写入寄存器