指令系统介绍

为了与操作系统以及编译器更好的适配，我们的指令系统在One-page CPU的基础上进行了改动。

指令格式

指令按格式可以分为R型指令、I型指令、J型指令三种，格式分别如下所示：

R型指令

31-26	25-21	20-16	15-11	10-0
opcode	rx	ry	rz	reserved

I型指令

31-26	25-21	20-16	15-0
opcode	rx	ry	imm

J型指令

31-26	25-0
opcode	offset

R型指令

汇编代码	opcode	含义	注释
`add $rx, $ry, $rz`	0	`$rx = $ry + $rz;`
`sub $rx, $ry, $rz`	1	`$rx = $ry - $rz;`
`mul $rx, $ry, $rz`	2	`$rx = $ry * $rz;`	只取低32位
`and $rx, $ry, $rz`	4	`$rx = $ry & $rz;`	按位取与
`or $rx, $ry, $rz`	5	`$rx = $ry	$rz;`
`xor $rx, $ry, $rz`	6	`$rx = $ry ^ $rz;`	按位取异或
`shr $rx, $ry, $rz`	9	`$rx = $ry shr $rz;`	逻辑右移，高位补零
`shl $rx, $ry, $rz`	10	`$rx = $ry shl $rz;`

I型指令

汇编代码	opcode	含义	注释
`loa $rx, imm($ry)`	7	`$rx = mem<int32>[$ry + sign-extend(imm)];`	如果是访问RAM，地址必须是4对齐的
`sto $rx, imm($ry)`	8	`mem<int32>[$ry + sign-extend(imm)] = $rx;`	同上
`beq $rx, $ry, imm`	11	`if $rx == $ry then $pc += sign-extend(imm);`
`blt $rx, $ry, imm`	12	`if $rx u< $ry then $pc += sign-extend(imm);`	无符号比较
`addiu $rx, $ry, imm`	13	`$rx = $ry + sign-extend(imm);`
`lui $rx, imm`	14	`$rx = imm << 16, clearing the lower 16 bits;`
`ori $rx, $ry, imm`	16	`$rx = $ry O zero-extend(imm);`	按位与
`bne $rx, $ry, imm`	19	`if $rx != $ry then $pc += sign-extend(imm);`
`jr $rx`	20	`$pc = $rx;`
`jalr $rx`	21	`$lr = $pc+4; $pc = $rx;`

J型指令

汇编代码	opcode	含义	注释
`jsub offset`	22	`$lr = $pc+4; $pc += sign-extend(offset)+4`

硬件上共支持32个寄存器，编号从0~31，使用约定如下：（有些没有被编译器使用的寄存器在硬件上也存在，所以都列为通用寄存器）

这里，fr是一个特殊的寄存器，它保存了一些与中断相关的信息，具体而言：

fr 位	含义
0	如果某条指令将这一位置为 1, 则 CPU 停止执行.
1	全局中断使能.
2	如果某条指令将这一位置为 1, 则 CPU 执行 "从异常返回" 指令 (x86 的 iret, mips 的 eret)
3	时钟中断使能
4	时钟中断, 发生时钟中断时硬件将此位置为 1, 软件必须将其置回为 0
5	串口可写中断使能, 是否使能因串口变为可写状态而造成的中断
6	串口可写中断, 发生串口可写中断时硬件将此位置为 1, 软件必须将其置回为 0
7	串口可读中断使能, 同上
8	串口可读中断, 发生中断时由硬件置为 1, 软件必须将其置回为 0
9	串口可写, 为 1 表示串口可写. 软件希望写串口, 则需要写完将此位设为 0.
10	串口可读, 同上. 硬件设为 1, 软件设为 0.
11	当前特权级, 1 为 user, 0 为 kernel
12	缺页异常位, 发生缺页异常时该位被硬件置为 1