外贸网站高端定做,中卫网站制作公司报价,58同城怎么发布广告信息,阿里云服务器 做网站从零设计四位栈处理器#xff08;2#xff09;——结构与指令集一句话概括#xff1a; 在Toxic处理器中#xff0c;万物皆栈。熟悉汇编语言的同学会了解#xff0c;一般的汇编语言#xff0c;会包含以下几个部分#xff1a;寄存器地址立即数操作码在这期文章中#xff…从零设计四位栈处理器2——结构与指令集一句话概括 在Toxic处理器中万物皆栈。熟悉汇编语言的同学会了解一般的汇编语言会包含以下几个部分寄存器地址立即数操作码在这期文章中我们将通过类比的方法来解释Toxic处理器的运行方法以及设计上作出的妥协。 上图显示的是RISC-V的最基础的四类指令其中R类负责寄存器与寄存器之间的运算操作I类负责寄存器和小立即数之间的操作S类负责写入内存读取指令被归结为I类内U类负责处理大立即数以及PC相关的寻址。一、寄存器寄存器的本质是用来暂存数据避免读写内存带来的巨大性能开销。我们先举一个R类RISC-V汇编的例子add x1, x1, x1这条命令的意思是将x1寄存器的值与x1寄存器相加并且将结果写入x1寄存器。事实上这是一个非常典型的寄存器寻址的汇编指令在X86构架、ARM构架和MIPS构架中几乎都能找到相似的指令。但是我们在Toxic处理器中并没有这样的指令出现。那么我们为什么不用这种类型的指令呢我们上面展现的汇编代码来自RV32I指令集本质上是一个32位整数指令集在该指令集中总共定义了32个通用寄存器。我们为了寻址32个寄存器在指令中每包含一个寄存器需要花费log_2(32)5比特的宽度。而Toxic处理器是一个4位等长指令处理器而4位二进制码只有16种不同的组合这也就导致了在Toxic处理器中应用这种“寄存器寻址”的体系是非常不现实的一条指令总共只有4比特算上操作码占的空间我们恐怕最多只能留2位给寄存器寻址但这显然是不够的。所以既想维持4位的简洁又想拥有更多的”暂存空间“要怎么办呢于是我们引出了Stack Machine栈处理器这个概念。所谓栈处理器是相对于寄存器处理器而言的一个栈处理器是不存在通用寄存器的取而代之的是一个“栈”。栈这个概念相信各位已经非常清楚了Toxic处理器里面的栈和我们通常说的栈道理上是完全相同的。不同之处在于1. Toxic处理器的栈是由硬件逻辑门实现。2. Toxic处理器的栈除了实现了pushpop之外还实现了tos和ntos两个功能。tos就是所谓的栈顶ntos就是次栈顶在访问tos和ntos的时候不会改变栈内部的内容。在这里我们将这个作用是“替代通用寄存器”的栈命名为数据栈。二、地址以RV32I为例如果我们有一个32位宽度的总线那么我们总共可以寻址的空间是2^32 Byte假设每个地址寻1 Byte。这个寻址空间说大不大但是对于普通应用来说已经足够了。但是Toxic处理器是一个四位处理器2^416 Byte的寻址空间对于几乎任何程序来说都是不够的。很自然的我们就可以想到去运用多个4位总线连接起来一同来寻址这样的话可以扩大我们的寻址空间。于是乎就出现了一个问题到底要多大的寻址空间才好呢在这里Toxic处理器的设计给每个去尝试实现它的人都留下了空间我们规定总线宽度只要为4位的倍数都可以让Toxic指令集良好的工作。在开头我们就说过Toxic处理器中万物皆栈。与数据栈的思路相同我们同样用栈来表示一个总线地址在此我们称之为地址栈。8位的地址栈的实现与数据栈基本相同为了避免混淆我们暂时不引入更高位的地址栈的设计。到此为止我们已经讲述了Toxic处理器中最重要的两个部件。如果你感觉有似懂非懂的地方没有关系在我们一步步解释整个Toxic指令集之后你会有更清晰的认识。三、立即数立即数在处理器中的作用是将指令中的数直接作为处理器内的数据进行计算。用RV32I指令集举个例子addi x1, x1, 1该指令的意思是将x1寄存器1的结果存进x1寄存器。在该指令中数字1就是一个立即数。对于我们的Toxic处理器来说处理立即数的本质就是将我们指定的任何一个数字push进数据栈内。下图是Toxic指令集的所有指令以及编码 在了解生成立即数的具体操作之前我们先看3个指令P1, ADD, LS。P1: 将数据“1”push进数据栈。ADD将数据栈tos和ntos的加和push进数据栈。LS将数据栈中的tos左移一位。明白了这三个指令的操作我们来思考一下如何把“5”这个数字push到数据栈内呢首先5的二进制是0101。我们有以下代码P1 // tos为0001 LS // tos为0010 LS // tos为0100 P1 // tos为0001 这时候之前的tos已经成为了ntos为0100 ADD // 0001 0100 0101这时候tos为0101我们完成了将“5”push到栈顶为了更高效的生成立即数比如说15也就是二进制中的1111我们引入了P11这个指令P11所做的事情与P1类似就是将0011给push到栈顶。四、操作码操作码是指在机械码中存在的用来指定处理器指令的几位。在RV32I指令集中我们可以看到0-6位都是“opcode”也就是我们说的操作码。再次地Toxic指令集是一个4位等长指令指令集。然而不难发现在Toxic指令集中我们虽然只有4位的空间来描述一个指令但是我们对于寄存器的寻址并不占用指令空间对总线地址的访问也不占用指令空间甚至连对寄存器的操作都不占用指令空间。所以到最后所有4位空间我们都将分配给操作码。换句话说在Toxic指令集中所有机器码都是操作码。其实关于操作码的界定问题学术界也没有一个非常准确的标准比如说很多时候RV32I的funct3都会被说成操作码的一部分。但是这都不重要只是个人的区分和习惯问题我们这期文章就暂时先讲这么多下期文章我们会更加仔细、更加完整的解读这16条指令并且聊一聊如何用Toxic指令集编写一个真实有意义的程序。在讲完指令集后会讲一下整个Toxic处理器电路层面的实现。当然在那之前还有很多工作需要完善大家可以先看看我的GitHub上Toxic_v2的英文文档还有最近很快就要完成了的Toxic_v2模拟器如果大家能给我点个星星我会非常感谢文档https://github.com/Entropy-xcy/Toxic_v2模拟器https://github.com/Entropy-xcy/Toxic_v2_simulator引用【1】 RISC-V ISA Specifications https://riscv.org/specifications/