PowerPC-体系结构之指令集

PowerPC体系结构之指令集概述BookE定义的PowerPC指令集的指令可分为以下几类：分支跳转指令CR指令整数指令浮点指令处理器控制指令CR指令主要是对CRcrand,cror,crxor等等。常用指令先看一个测试程序：inttest_call(inta,intb,intc){a=b+c;returna;}inttest_if(ints){inti;if(s>i=s;elseif(s<0)i=-s;elsei=s*8;returni;}inttest_cyc1(intc){intsum=0;do{sum+=c;c--;}while(c>0);returnc;}inttest_cyc2(intc){intsum=0;for(;c>0;c--)sum+=c;returnc;}intmain(){inta,b,c,d;a=test_if(5);b=test_cyc1(10);c=test_cyc2(10);d=test_call(1,2,3);returna+b+c+d;}引入的目的在于查看判断、循环和过程调用这些基本结构在PowerPC里怎么被支持。-O2参数编译后，objdump-S-d反汇编，则：1000040c<test_call>:inttest_call(inta,intb,intc){a=b+c;returna;}1000040c:回值7c642a14addr3,r4,r5---->对应a,b,c三个参数，同时r3又置返10000410:回4e800020blr---->跳转到LR所存放的地址处，即函数返10000414<test_if>:inttest_if(ints){inti;if(s>10000414: 7c601b79 r0,r3 ----->r3移到r00，则置CR0的相应位。指令后多一点，则说明该指令会据执行结果，设置CR的相应位10000418: 7c030378 mr r3,r0 ----->此条指令多余1000041c: 4da10020 bgtlr+ ----->若CR0[gt]位为则跳转到LR所放的地址处，即直接函数返回了。此条指令等价于bclr 13,1i=s;elseif(s<0)10000420: 38600000 li r3,010000424: 4d820020 beqlr ----->若CR0[eq]位为1，则跳转到LR所存放的地址处，也直接函数返回了。此条指令等价于bclr 12,i=-s;10000428:else7c6000d0neg r3,r0i=s*8;10000428:else7c6000d0neg r3,r0i=s*8;returni;}1000042c:4e800020blr----->跳转到LR所存放的地址处，函数返回10000430inttest_cyc1(intc){10000430:3403ffffaddic.r0,r3,-110000434:7c6903a6mtctr r310000438:41800010blt- 10000448<test_cyc1+0x18>intsum=0;do{sum+=c;c--;1000043c:3863ffffaddi r3,r3,-1}while(c>0);10000440:4200fffcbdnz+ 1000043c<test_cyc1+0xc>returnc;}10000444:4e800020blr10000448:38000001li r0,11000044c:7c0903a6mtctr r010000450:4bffffecb 1000043c<test_cyc1+0xc>10000454inttest_cyc2(intc){10000454:2c030000cmpwi r3,010000458:39200000li r9,01000045c:7d23481e.long0x7d23481eintsum=0;for(;c>0;c--)sum+=c;returnc;}10000460: 7d234b78 mr r3,r910000464: 4e800020 blrintmain(){10000468:9421ffe0stwur1,-32(r1)1000046c:7c0802a6mflrr0inta,b,c,d;a=test_if(5);10000470:38600005lir3,510000474:90010024stwr0,36(r1)10000478:9361000cstwr27,12(r1)1000047c:93810010stwr28,16(r1)10000480:93a10014stwr29,20(r1)10000484:4bffff91bl10000414<test_if>10000488:7c7d1b78mrr29,r3b=test_cyc1(10);1000048c:3860000alir3,1010000490:4bffffa1bl10000430<test_cyc1>10000494:7c7b1b78mrr27,r3c=test_cyc2(10);10000498: 3860000a li r3,10d=test_call(1,2,3);1000049c:7fbdda14addr29,r29,r27100004a0:4bffffb5bl10000454<test_cyc2>100004a4:38800002lir4,2100004a8:7c7c1b78mrr28,r3100004ac:38a00003lir5,3100004b0:38600001lir3,1100004b4:4bffff59bl1000040c<test_call>returna+b+c+d;}100004b8:80010024lwzr0,36(r1)100004bc:7f9c1a14addr28,r28,r3100004c0:8361000clwzr27,12(r1)100004c4:7c7de214addr3,r29,r28100004c8:83810010lwzr28,16(r1)100004cc:83a10014lwzr29,20(r1)100004d0:7c0803a6mtlrr0100004d4:38210020addir1,r1,32100004d8:4e800020blr分类概述分支跳转指令这类指令算是PowerPC里比较有特色的，也是稍显复杂的。这类指令与CR,LR和CTR紧密相联，建构起判断、循环和过程调用这些程序的基本结构。其大致可分为四类：BranchBranchConditionalBranchConditionaltoCountRegisterBranchConditionaltoLinkRegisterBranch这类指令与CR没有联系，即为非条件跳转，助记符后直接跟立即数地址。指令内为立即数地址预留26位，即可跳转2^26大小的空间，如：(CIA,CurrentInstructionAddress)b0x20ba0x200x20----->以当前指令地址为基点，往后跳转0x20字节，即PC=CIA+----->直接跳转到地址0x20处。后缀为a，则表示使用AbsoluteAddress，PC=0x20。bl0x20----->在b0x20的基础上，将LR更新为CIA+4bla+40x20----->LR后缀带LR为CIA以上针对32位的情形，对64位则使用指令be,bea,bel,bela功能与上同。BranchConditional此类为条件跳转指令。皆以bc开头，带3个操作数，如：bc BO,BI,BDbca BO,BI,bcl BO,BI,BDbcla BO,BI,BD后缀a,l的含义与branchBO指定关联的CR也是5位；BD位。其中以BO的编码最为复杂BO从左到右编号为0~BO[0]:为1，则直接跳转BO[1]:为1，则条件为真时，跳转。否则条件为假时，跳转BO[2]:为1，则CTR1BO[3]:为1时，则CTR==0时跳转；为0时，则CTR!=0时跳转BO[4]:静态预测位，1表示unlikely，0表示likely则常见的BO值：20(0b10100)则表示无条件跳转12(0b01100)CR1时跳转4(0b00100)则表示CR0时跳转至于静态预测的策略位，默认被置为0，则其行为为：b1.目标地址小于当前指令地址，预测为跳转b2.目标地址大于当前指令地址，预测为不跳转b3.对于目标地址在CTR/LR中的条件跳转指令，一律预测为不跳转若该位被置1，则上述b1,b2,b3的静态预测行为分别为：不跳转，跳转，跳转。可以给分支指令加一个+/-的后缀，来简化。加'+'的指令，一律预测为跳转。加'-'的分支指令，一律预测为不跳转。则对于b1，后缀'+'会将y位置0，'-'则将y位置1。对于b2，后缀'+'会将y位置1，'-'则将y位置0。对于b3，后缀'+'会将y位置1，'-'则将y位置0。BI与关联CR位的关系为：32+BI即，若BI为2，则对应于CR[34]，即为CR0[gt]位。以上针对32位的情形，对64位则使用指令bce,bcea,bcel,bcela功能与上同。BranchConditionaltoCountRegisterbcctr BO,BIbcctrl BO,后缀lbranch类指令同。BO，BI的编码与BranchConditional类指令同。跳转目标地址位于CTR中。以上针对32位的情形，对64位则使用指令bcctre,bcctrel功能与上同。BranchConditionaltoLinkRegisterbclr BO,BIbclrl BO,BI后缀lbranch类指令同。BO，BI的编码与BranchConditional类指令同。跳转目标地址位于LR中。以上针对32位的情形，对64位则使用指令bclre,bclrel功能与上同。CR指令这类指令包括用来支持CR内部位运算的指令和CR与GPR之间的数据交换指令。CR内位运算指令这类指令的格式皆为：crxxx BT,BA,BBBT,BA,BB是CR内的位编号，取值范围为0~31，如crand 0,8,12，则将CR[32+8](CR2[lt])与CR[32+12](CR3[lt])作与操作后将结果置入CR[32+0]即CR[32]=CR[40]&CR[44]crand: CR[32+BA]&CR[32+BB]crandc: CR[32+BA]&creqv: ~(CR[32+BA]^CR[32+BB])，即位相等，则置1；不等则置0crnand: ~(CR[32+BA]&CR[32+BB])crnor: ~(CR[32+BA]|CR[32+BB])cror: CR[32+BA]|CR[32+BB]crorc: CR[32+BA]|(~CR[32+BB])，先取反后再或crxor: CR[32+BA]^CR[32+BB]，位异或CR与GPR间数据交换指令mcrf BF,BFA --- MoveConditionRegisterFields将CR之BFA域复制到BF域。如mcrf 0,3则将CR3拷入CR0mtcrf FXM,RS --- MoveToConditionRegisterFields通用寄存器RS之32~63位以4CR的8RS0~FXM为域掩码，8位，从左到右编号为0~7，对应于RS、CR的8个域。某位为1，RSCR域中。若FXM为0x80CR0=RS0若FXM为0xc8，则将CR0=RS0,CR1=RS1,CR4=RS4mfcr RT --- MoveFromConditionRegister将CRRT的32~63位。整数指令整数访存指令整数比较指令整数陷阱指令整数移位指令XER指令其中以整数循环移位指令最为特别。整数访存指令LoadByte/Half-word/WordandZero该类指令从指定地址处读取8位、16位32位数据，置入高位置lbz/lbzu RT,D(RA)lbzx/lbzux RT,RA,RBlhz/lhzu RT,D(RA)lhzx/lhzux RT,RA,RBlwz/lwzu RT,D(RA)lwzx/lwzux RT,RA,RBRT,RA,RB皆为GPR，D+DRA[32:63]+RB[32:63]32位置。后缀u表示Update，即将有效地址更新到RA中后缀x表示Indexed，即使用RA+RB以上用于32位，对64位，上述指令皆加后缀'e'。则有效地址的0~31位，不再置0，其计算方式如下：RA+D，RA+RB。此外，用于64位的还有对双字操作的支持：lde/ldue/ldxe/lduxeLoadHalf-wordAlgebraiclha/lhau RT,D(RA)lhax/lhaux RT,RA,RB与lhz不同的是，该指令将所读取的半字的最高位(RT[48])填充到16位的补码有符号数。有效地址计算与上同；后缀u,x与上同。对64位情形，上述指令皆加后缀'e'，有效地址计算与上小节同。LoadHalfword/WordByte-Reverse从指定地址处读取16位/32位数据，将字节反转后置入高位置lhbrx RT,RA,RBlwbrx RT,RA,RB如：lwbrx r3,r2,若r2+r1地址处的数据为则r3的结果为0xbb66aa55对64位情形，上述指令皆加后缀'e'，有效地址计算与上小节同。LoadMultiplelmw RT,D(RA)该指令将RA+DRT~R31中，共读取31-T个字该指令无64位扩展。LoadStringWordlswiRT,RA,NB（后缀i，表示立即数Immediate）lswxRT,RA,RB（后缀x，表示Indexed寻址方式）加载nRT开始的寄存器中；当NB==0时n=32；NB!=0时n=NB，NB取值范围为0~31如r3=0x1000：lswi r4,r3,16则将0x1000处的16r4,r5,r6,r7对于lswx，要加载的字节数则位于XER[57:63]该指令无64位扩展。LoadWord/Doublewordandlwarx RT,RA,RB该指令与lwzx的差别在于，其还将处理器内部的RESERVE位置为1，并将有效地址对应的物理地址放入RESERVE_ADDR中。该指令的64位版本为：lwarxe RT,RA,差别还是在于有效地址的0~31不被置0此外还有一个ldarxe RT,RA,与lwarxe的差别在于其加载8字节的数据。这三条指令常分别与stwcx./stwcxe./stdcxe.MIPS之ll/sc令。Storestb/stbu RS,D(RA)stbx/stbux RS,RA,RBsth/sthu RS,D(RA)sthx/sthux RS,RA,RBstw/stwu RS,D(RA)stwx/stwux RS,RA,RB该类指令将RS中的8位、16位、32位数据写入有效地址处。后缀'u','x'之含义与3.3.1.1同。上述12条指令加后缀'e'则用于64位。有效地址计算与与3.3.1.1同。另用于64位的还有对双字操作的支持：stde/stdue/stdxe/stduxeStoreHalfword/WordsthbrxRS,RA,RBstwbrxRS,RA,RB将RS中的16/32bit小端序存储数据，亦或在小端系统上以大端序存储数据。对64位情形，上述指令皆加后缀'e'，有效地址计算与上小节同。StoreMultiplesmw RS,D(RA)该指令将RS~R31中的数据（一个字，写入到RA+D处该指令无64位扩展。StoreStringWordstswi RS,RA,NB （后缀iImmediate）stswx RS,RA,RB （后缀x，表示Indexed寻址方式）与lswi/lswxRS开始的寄存器组中的n（于RA）当NB==0时n=32；NB!=0时n=NB，NB取值范围为0~31如r3=0x1000：stswi r4,r3,16则将r4,r5,r6,r7中的16字节数据依次写入0x1000处对于stswx，要加载的字节数则位于XER[57:63]该指令无64位扩展。3.3.1.toreWord/Doublewordstwcx. RS,RA,RB如果RESERVE位为1，且RA+RB对应的物理地址与RESERVE_ADDR一致，则将RS[32:63]的内容写入到RA+RBCR0[eq]位置为1RESERVE0。若条件不满足，则仅将CR0[eq]位置为0可用该指令与lwarx联用，实现li r0,1loop:lwarx r4,0,r3cmpwi r4,0 #r4[32:63]与0比较bneloopstwcw. r0,0,bne loopisync解锁则为：msyncli r0,stw r0,0(r3)下面的指令用于64位：stwcxe. RS,RA,RBstdcxe. RS,RA,RB320。整数算术运算指令整数逻辑运算指令整数比较指令cmpBF,L,RA,RBcmpiBF,L,RA,SI#RASI比较cmplBF,L,RA,RB#RA,RB逻辑比较。l--->logicalcmpliBF,L,RA,UI#RA与无符号立即数UI逻辑比较BF取值0~7CR域L为0，则为32位比较；为1，则为64位比较如：cmpi 0,0,r3,5若r3>5，则CR0[gt]=1；若r3<5，则CR0[lt]=1整数陷阱指令tw TO,RA,twi TO,RA,SITO位，从左到右标号为0~4Trap的条件。SI：SignedImmediate如：twi 0x10,r3,5则如果r3<5，则陷入异常。(32bit)比较，双字比较则用：td TO,RA,tdi TO,RA,SI整数移位指令RotaterlwimirlwinmRA,RS,SH,MB,MERA,RS,SH,MB,ME#RotateLeftWordImmediatethenMaskInsert#RotateLeftWordImmediatethenANDwithMaskrlwnmRA,RS,RB,MB,ME#RotateLeftWordthenANDwithMask以下是该指令的一些例子：allr11is:0x55aa67bbr0=0x00000000rlwimi r0,r11,8,0,r0is:0xaa67bb55r0=0x12345678rlwimi r0,r11,8,0,r0is:0xaa665678r0=0x12345678rlwimi r0,r11,8,28,r0is:0xa2345675即：取RS循环左移SH位后的WB到WE位，替换RA的WB到WE位。r0=0x00000000r