指令系统设计.doc

指令系统设计1、 确定操作种类数据传送类：MOV Ri, Rj ;将寄存器Rj当中的内容传送到寄存器RiLOAD Ri, Rj ;将寄存器Rj中内容作为地址所指向的内存单元中的内容装载到寄存器RiSTOR Ri, Rj ;将寄存器Ri当中的值存储到寄存器Rj中内容作为地址所指向的内存单元LDD Ri, #Data ;将16位立即数#Data装载到寄存器Ri的低16位，并将Ri的高16位全部填充01LDU Ri, #Data ;将16位立即数#Data装载到寄存器Ri的高16位，Ri的低16位不变算数运算类：CMP Ri,Rj,比较Ri及Rj中内容的大小CMP Ri,#Data， 比较Ri中内容与16位立即数Data的大小ADD Ri, Rj ;Ri+RjRi，可影响标志位或不影响标志位ADD Ri, #Data ; Ri+#DataRi，可影响标志位或不影响标志位，其中#Data为立即数SUB Ri, Rj ;Ri-RjRi，可影响标志位或不影响标志位SUB Ri, #Data ; Ri+#DataRi，可影响标志位或不影响标志位，其中#Data为立即数MUL Ri, Rj ;RiRjRj Ri，Rj中存放结果的高32位，Ri存放结果的低32位，可影响标志位或不影响标志位DIV Ri, Rj ;Ri/RjRj Ri，Rj中存放余数，Ri存放商，可影响标志位或不影响标志位逻辑运算类：ANL Ri, Rj ;Ri AND RjRi ORL Ri, Rj ;Ri OR RjRiNOT Ri ;NOT RiRiANL Ri,#Data,将Ri中的内容及16位无符号数Data与运算结果存储到RiORL Ri，#Data，将Ri中的内容及16位无符号数Data或运算结果存储到RiNAL Ri，Rj 将Ri及Rj中的内容做异或运算结果存到Ri分支转移类：B Ri ;程序跳转至Ri中内容所指向的地址B Addr ;程序跳转至地址Addr4移位操作类：SL Ri ;将寄存器Ri中的内容左移1位，可带进位位或不带进位位SR Ri ;将寄存器Ri中的内容右移1位，可带进位位或不带进位位SL Ri, #Data将寄存器Ri中的内容左移立即数Data位，其中Data有效取值范围为131SR Ri, #Data将寄存器Ri中的内容右移立即数Data位，其中Data有效取值范围为131RORL Ri, Rj将Ri中的内容循环左移若干位，移位位数是Rj中的内容RORR Ri, Rj将Ri中的内容循环右移若干位，移位位数是Rj中的内容RORL Ri, #Data将寄存器Ri中的内容循环左移立即数Data位，其中Data有效取值范围为131RORR Ri, #Data将寄存器Ri中的内容循环右移立即数Data位，其中Data有效取值范围为131PSW操作类指令CPYPSW #Data 将PSW中的内容复制到编号为Data的CPSW中，其中作为CPSW编号的4位立即数Data范围为00000111RCVPSW #Data 用编号为Data的CPSW中的内容覆盖PSW寄中的内容，其中作为CPSW编号的4位立即数Data范围为00000111SETSTCK #Data设置堆栈号，其中4位立即数Data作为堆栈编号，范围为00000111SETGRP #Data 设置第一操作数和第二操作数寄存器的组号，8位立即数Data的高4位为第一操作数寄存器组号，低4位为第二操作数寄存器组号；范围为000001112、 指令格式将指令的操作码字段可再细分为执行条件码、操作分类码、操作码、状态码等四个小字段。其中，执行条件码标明该条指令是否需要在满足某种条件时才执行，占用4位，最多可扩展15种不同的执行条件以及无条件执行。操作分类码是标明该指令所属的操作分类，目前方案中指令集的分类包括数据传送、移位、算数运算、逻辑运算和分支转移等5类，考虑到以后会扩展I/O指令以及其它有可能的控制指令预设7种分类，占用3位。操作码标明该条指令的具体操作内容以及操作数的寻址方式，对于数据传送类指令，考虑将来将I/O指令加到这一类中，因此操作码占据4位；对于移位操作类、算数运算类和逻辑操作类，考虑有可能扩展或进行修改，也占用4位；对于分支转移类不考虑扩展，因此不需要此字段，但由于转移地址有两种寻址方式，需要保留1位指示操作数寻址方式。状态码标明该指令的执行是否影响到状态标记，对于算数运算类、逻辑运算类和移位操作需要该字段，占用1位，其它类操作无需此字段，但为了方便指令译码，对于数据传送类指令仍然保留该字段占位。.分支指令（*代表操作数寻址方式） 执行条件分类*地址码313029282726252423222120191817161514131211109876543210.数据传送、移位、算术运算、移位运算指令（S为状态码）执行条件分类操作码S地址码3130292827262524232221201918171615141312111098765432103、 地址码对于涉及到寄存器操作的指令，寄存器的地址占多少位取决于寄存器数量的多少和分类方式以及编址方式。在这里，系统的寄存器这样设计：一个标志寄存器PSW，不进行编址，也不能通过程序直接访问，只能通过一些特殊的控制命令访问其部分字段；目前PSW的字段定义为状态标志字段、寄存器编组字段和保留字段。标志暂存寄存器CPSW若干，不进行编址，也不能通过程序直接访问，只能通过一些特殊的控制命令与PSW之间进行内容的交换。一个程序计数器PC，该寄存器参与编址，也可以通过程序直接访问。堆栈寄存器SP若干，用于支持多堆栈，通过一些特殊的控制命令设置堆栈号来选择当前使用哪一个SP。通用寄存器组R0R13若干组，通过一些特殊的控制命令设置寄存器组号来选择当前使用的是哪一组R0R13。指令字当中寄存器的地址占4位，地址00001101分别对应每组寄存其中R0R13，地址1110对应每组中的SP寄存器，地址1111则对应PC寄存器。通用寄存器组的分组编号放在PSW寄存器的寄存器编组字段，共占据8位，其中高4位为第一操作数寄存器的编组号，低4位为第二次操作数寄存器的编组号；PSW寄存器中还有4位作为堆栈编号，用于选择系统当前所用的SP；对于CPSW的选择通过指令进行；PC是唯一的，只有地址，无需编组。按照上述编组方式，系统理论上可以扩展的寄存器数量为1个PSW+16个CPSW+1个PC+16个SP+16R0R13一共有258个寄存器，其中241个可寻址的寄存器。在本系统中对可分组的寄存器暂时只用其中8组，其它分组保留待以后进行扩展，也既暂时设计1个PSW+8个CPSW+1个PC+8个SP+8R0R13共计130个寄存器，其中121个可寻址寄存器。作为状态标记，一般系统中需要进位标记C、0标记Z、一出标记V、正负数标记N、奇偶标记P，另保留几位待扩展，暂定标记部分占据8位，4位作为第一操作数寄存器组号，4位作为第二操作数寄存器组号，4位作为堆栈号，余下12位保留待扩展，标志寄存器PSW的格式可暂时定义如下：标记状态Addr1组号Addr2组号堆栈号保留CZVNP26252423222120191817161514131211109876543210在指令字中，寄存器的地址尽量占据地址码部分的高位，对于分支指令B，只有一个操作数，占据24位，若是直接寻址方式，有效跳转地址为该操作数的值4，因此直接寻址范围可达到226也既64Mbyte，可直接访问的程序存储空间已经达到了设计要求；若是用寄存器寻址方式，地址码的高4位为寄存器地址，有效跳转地址为寄存器中所存储的32位地址，直接寻址范围可达到232也既4Gbyte，可以考虑以后存储空间的扩展。其中转移地址均为绝对地址。对于其它指令，地址码占据了20位两个操作数都是寄存器的指令，地址码的高3位为第一操作数的地址，次高3位为第二操作数的的地址；对于第一操作数为寄存器，第二操作数为立即数或直接内存地址的指令，地址码的高4位为第一操作数的地址，低16位为立即数作为第二操作数或低16位的值4为第二操作数的内存地址。若第二操作数为直接寻址且地址为绝对地址，则可直接寻址的范围为218共256Kbyte，这样显然不能满足设计要求中寻址空间64Mbyte的要求，因此在下一步指令集的补充和修正步骤里要设法解决这个问题。4、 执行条件码编码设计在汇编指令中，执行条件码作为指令码的前缀,若某条指令执行结果影响标志位则以S作为指令码后缀。执行条件汇编前缀编码功能无条件无0000无进位/借位C0001C=1相等Z0010Z=1不相等NTZ0011Z=0大于DC0100C=0 AND Z=0小于SC0101C=1大于等于GRT0110C=0小于等于SML0111C=1 OR Z=0正数POS1000N=0负数NEG1001N=1奇编码OP1010P=1偶编码EP1011P=0溢出OV1100V=1剩余编码作为扩展用5、 指令分类码编码设计分类编码分支类000数据传送类001算术运算类010逻辑运算类011移位操作类100PSW操作类101编码110和111作为扩展用6、 操作码编码设计1. 分支类指令*01寻址方式直接寻址寄存器间接寻址2. 数据传送类指令最高位10第二操作数寻址方式立即数寻址寄存器间接寻址编码指令指令功能0000STOR Ri, Rj+offset将Ri当中的值存储到Rj中内容+offset作为地址所指向的内存单元0001LOAD Ri, Rj +offset将Rj中内容+offset作为地址所指向的内存单元中的内容装载到Ri1000LDD Ri, #Data将16位立即数#Data装载到Ri的低16位，并将Ri的高16位填充为01001LDU Ri, #Data将16位立即数#Data装载到Ri的高16位，Ri的低16位不变0010MOV Ri, Rj将Rj当中的内容传送到Ri3. 算术运算类指令最高位10第二操作数寻址方式立即数寻址寄存器间接寻址次高位10运算结果是否存入第一操作数存入不存入编码指令指令功能0000CMP Ri, Rj比较Ri及Rj中内容的大小1001CMP Ri, #Data比较Ri中内容与16位立即数Data的大小0100ADD Ri, Rj将Ri及Rj中内容的相加结果存储到Ri1100ADD Ri, #Data将Ri中内容及16位立即数Data的相加结果存储到Ri0101SUB Ri, Rj将Ri及Rj中内容的相减结果存储到Ri1101SUB Ri, #Data将Ri中内容及16位立即数Data的相减结果存储到Ri0110DIV Ri, Rj将Ri及Rj中内容的相除，Ri中存放余数，Rj存放商0111MUL Ri, Rj将Ri及Rj中内容的相乘，Rj中存放结果的高32位，Ri存放结果的低32位4. 逻辑运算类指令最高位10第二操作数寻址方式立即数寻址寄存器间接寻址编码指令指令功能0000ANL Ri, Rj将Ri及Rj中内容的做与运算结果存储到Ri0001ORL Ri, Rj将Ri及Rj中内容的做或运算结果存储到Ri1000ANL Ri, #Data将Ri中内容及16位无符号数Data与运算结果存储到Ri1001ORL Ri, #Data将Ri中内容及16位无符号数Data或运算结果存储到Ri1010NAL Ri, Rj将Ri及Rj中内容的做异或运算结果存储到Ri1011NOT Ri将Ri中内容的做非运算结果存储到Ri5. 移位操作类指令最高位10第二操作数寻址方式立即数寻址寄存器间接寻址次高位10解释算术移位逻辑移位以逻辑移位为例（算术移位只需将次高位改为1即可）编码指令指令功能0000SL Ri, Rj将Ri中的内容左移若干位，移位位数是Rj中的内容0001SR Ri, Rj将Ri中的内容右移若干位，移位位数是Rj中的内容1000SL Ri, #Data将寄存器Ri中的内容左移立即数Data位，其中Data有效取值范围为1311001SR Ri, #Data将寄存器Ri中的内容右移立即数Data位，其中Data有效取值范围为1310010RORL Ri, Rj将Ri中的内容循环左移若干位，移位位数是Rj中的内容0011RORR Ri, Rj将Ri中的内容循环右移若干位，移位位数是Rj中的内容1010RORL Ri, #Data将寄存器Ri中的内容循环左移立即数Data位，其中Data有效取值范围为1311011RORR Ri, #Data将寄存器Ri中的内容循环右移立即数Data位，其中Data有效取值范围为1316. PSW操作类指令编码指令指令功能0000CPYPSW #Data 将PSW中的内容复制到编号为Data的CPSW中，其中作为CPSW编号的4位立即数Data范围为000001110001RCVPSW #Data 用编号为Data的CPSW中的内容覆盖PSW寄中的内容，其中作为CPSW编号的4位立即数Data范围为000001110010SETSTCK #Data设置堆栈号，其中4位立即数Data作为堆栈编号，范围为000001110011SETGRP #Data 设置第一操作数和第二操作数寄存器的组号，8位立即数Data的高4位为第一操作数寄存器组号，低4位为第二操作数寄存器组号；范围为00000111最终的指令格式分支类B Ri执行条件00010000Ri0000000000000000313029282726252423222120191817161514131211109876543210B Addr执行条件0000Addr313029282726252423222120191817161514131211109876543210数据传送类STORE Ri, Rj+ offset执行条件00100000RiRjoffset313029282726252423222120191817161514131211109876543210LOAD Ri, Rj+ offset执行条件00100010RiRjoffset313029282726252423222120191817161514131211109876543210LDD Ri, #Data执行条件00110000RiData低16位LDU Ri, #Data执行条件00100010RiData高16位313029282726252423222120191817161514131211109876543210MOVE Ri, Rj执行条件00100100RiRj000000000000313029282726252423222120191817161514131211109876543210算数运算类CMP Ri, Rj执行条件01000101RiRj000000000000313029282726252423222120191817161514131211109876543210CMP Ri, Rj执行条件01010011RiData 313029282726252423222120191817161514131211109876543210ADD Ri, Rj执行条件0100100SRiRj000000000000313029282726252423222120191817161514131211109876543210CMP Ri, Rj执行条件0101100SRiData 313029282726252423222120191817161514131211109876543210SUB Ri, Rj执行条件0100101SRiRj000000000000313029282726252423222120191817161514131211109876543210SUB Ri, #Data执行条件0101101SRiData 313029282726252423222120191817161514131211109876543210DIV Ri, Rj执行条件0100110SRiRj000000000000313029282726252423222120191817161514131211109876543210MUL Ri, Rj执行条件01001111RiRj000000000000313029282726252423222120191817161514131211109876543210逻辑运算类ANL Ri, Rj执行条件0110000SRiRj000000000000313029282726252423222120191817161514131211109876543210ORL Ri, Rj执行条件0110001SRiRj000000000000313029282726252423222120191817161514131211109876543210ANL Ri, #Data执行条件0111000SRiData 313029282726252423222120191817161514131211109876543210ORL Ri, #Data执行条件0111001SRiData 313029282726252423222120191817161514131211109876543210NAL Ri, Rj执行条件0111010SRiRj000000000000313029282726252423222120191817161514131211109876543210NOT Ri执行条件0111011SRi0000000000000000313029282726252423222120191817161514131211109876543210移位操作类SL Ri, Rj执行条件1000000SRiRj000000000000313029282726252423222120191817161514131211109876543210SR Ri, Rj执行条件1000001SRiRj000000000000313029282726252423222120191817161514131211109876543210SL Ri, #Data执行条件1001000SRiData 31302928272625242322212019181716151413121110987