4位HRRG計算機構(gòu)建項目的指令集分析

CPU內(nèi)部的寄存器，機器代碼指令集以及指令與寄存器和狀態(tài)標志的交互方式都是相互交織的。

您可能還記得，我的背景愛好項目之一是構(gòu)建4位HRRG計算機。在整個時間范圍內(nèi)，這將實現(xiàn)為壁掛式玻璃前木柜的集合，每個木柜都包含計算機的一部分。每個機柜的功能將通過不同的實施技術(shù)實現(xiàn)，包括繼電器，真空管，晶體管和軟糖集成電路，以及磁，機械和氣動/液壓產(chǎn)品。

我在這個項目上的“犯罪伙伴”是我的好友EEWeb專家Joe Farr。Joe致力于創(chuàng)建將在PC上運行的計算機的虛擬表示形式。我們希望能夠在不久的將來使此HRRG仿真器可供任何人使用。同時，我目前正在討論“野獸”的物理實現(xiàn)。

實話實說，這個項目已經(jīng)擱置了相當長的時間。實際上，直到我的好友James“ Chewy” Vorman才在2018年底向我發(fā)送電子郵件，說他正計劃建造4位計算機，并詢問我是否對喬和我當時的指令集有任何想法。促使他們采取行動。

在今年年初，我在“初次通過指令集”上發(fā)布了一篇專欄文章，這幾乎是喬和我在時間的迷霧中留下的東西的地方。從那時起，我們一直在反復地反復提出想法。除此之外，Joe啟動并運行了仿真器后，他很快就厭倦了用機器代碼編寫和輸入測試程序，這促使他創(chuàng)建了一個笨拙的HRRG終端和HRRG匯編器。

運行HRRG匯編程序的HRRG終端。（來源：喬·法爾）

當然，這不是真正的Sperry Univac Uniscope 200，它只是Joe決定將其朋友好友收藏中的一個圖像用作HRRG終端的背景，該終端（在此屏幕快照中）正在運行HRRG匯編程序。當我問喬為什么選擇這種設(shè)備時，他回答說有兩個原因。首先是右側(cè)的面板為他提供了足夠的空間來添加7段LED，常規(guī)LED，開關(guān)，磁盤驅(qū)動器和紙帶打孔器的圖像（老實說，我什至沒有意識到這些不是物理設(shè)備的一部分）；第二個原因是他太懶了，無法在自己的車間里搜尋成堆的設(shè)備來追蹤他的舊DEC VT100終端。

關(guān)鍵是，在創(chuàng)建諸如井字游戲（Tic-Tac-Toe）之類的程序時（如上面的屏幕截圖所示），喬發(fā)現(xiàn)我們的指令集提供了比我們完全掌握的功能更多的功能（這就是我們的優(yōu)勢）。他還發(fā)現(xiàn)了一些需要“調(diào)整”以使情況變得更好的事情，例如當將INC和DEC指令應用于IX（索引）寄存器之類的12位寄存器時，它們會修改N狀態(tài)標志。

因此，為了使您了解最新信息，以下內(nèi)容將介紹HRRG的CPU寄存器和指令集的當前運行狀態(tài)。

CPU寄存器

請記住，HRRG具有4位數(shù)據(jù)總線和12位地址總線。另外，我們使用術(shù)語nybble（或半字節(jié)）來指代4位值；同樣，我們使用“ $”字符表示十六進制值（例如，$ A），使用“％”字符表示二進制值（例如，％1010）。

為了使程序保持“均值”，我們決定將用戶可訪問的寄存器限制為1個半字節(jié)標識符，這意味著我們將自己限制為僅16個寄存器，如下所示：

CPU寄存器（來源：Max Maxfield）

一些早期的8位CPU具有一個稱為累加器（ACC）的特殊寄存器，該寄存器從內(nèi)存中加載值，并存儲邏輯和算術(shù)運算的任何結(jié)果。其他CPU有兩個累加器ACCA和ACCCB，而其他CPU選擇了一堆通用寄存器。在我們的案例中，我們決定有六個通用4位寄存器R0至R5。我們還有兩個狀態(tài)寄存器S0和S1。

除了物理尋址邏輯寄存器PC，SP，IX，IV和TA外，我們還有三個虛擬寄存器CV，MD和MX。我們將看到這些虛擬寄存器如何在整個時間范圍內(nèi)發(fā)揮其魔力?？梢哉f我還沒有在其他任何地方見過像我們的虛擬寄存器概念這樣的東西。

狀態(tài)寄存器

如前所述，HRRG具有兩個狀態(tài)寄存器S0和S1。這些寄存器的內(nèi)容如下所示。

狀態(tài)寄存器（來源：Max Maxfield）

大多數(shù)微處理器具有多個跳轉(zhuǎn)指令，例如JMP（無條件跳轉(zhuǎn)），JPN（如果為負則跳轉(zhuǎn)），JPNN（如果不是負則跳轉(zhuǎn)），JPZ（如果為零則跳轉(zhuǎn)），JPNZ（如果不為零則跳轉(zhuǎn)）等等。但是，通常只有一條JSR（跳轉(zhuǎn)到子例程）指令。

對于HRRG，我們只有一對JMP（跳轉(zhuǎn)）和JSR（跳轉(zhuǎn)到子例程）指令。但是，正如我們將看到的，這些指令的一個很酷的事情是它們的跳轉(zhuǎn)/不跳轉(zhuǎn)動作可以由兩個狀態(tài)寄存器中任何位的0/1值控制（在這種情況下， JMP和JSR指令將兩個4位狀態(tài)寄存器視為單個8位寄存器）。

N，Z，C和O標志以通常的方式運行（對于初學者，我們將在以后的專欄中更詳細地討論這些標志的操作）。

I（中斷屏蔽）標志的狀態(tài)決定了CPU是否將看到并響應外部中斷：此標志中的0表示CPU將不響應；否則標志將變?yōu)?。該標志中的1表示CPU將響應。該標志加電時包含0，由用戶（即用戶的程序）將其設(shè)置為1。如果CPU復位，則該標志將被清除為0。

H（停止）標志指示CPU是運行還是停止：該標志中的0表示CPU將運行；否則，CPU停止運行。該標志中的1表示CPU將停止操作。該標志加電包含0。由用戶決定是否在程序控制下將其設(shè)置為1。使暫停標志返回0的唯一方法是復位CPU或外部中斷喚醒CPU（假定中斷屏蔽標志設(shè)置為1）。

關(guān)于狀態(tài)寄存器S1的位2和3（組合的8位寄存器的位6和7）中的硬連接0和1值，如果選擇了1，則JMP和JSR指令將使用這些值來實現(xiàn)無條件跳轉(zhuǎn)，如果選擇了0，則為無條件跳轉(zhuǎn)（用于調(diào)試目的）。

指令集

這是開始變得有趣的地方，因為這是我們決定要支持的低級指令以及這些指令將如何與CPU寄存器和狀態(tài)標志交互的地方。

指令集。（來源：馬克斯·麥克菲爾德（Max Maxfield）

我知道，我知道，當您第一次看到它時，這確實有些令人生畏，但這主要是因為我們正試圖將大量信息塞入一個很小的空間中。

假設(shè)我們要減少通用寄存器R3的4位內(nèi)容。在這種情況下，我們的指令將包含兩個半字節(jié)：$ 1 $ 3，我們可以將其寫為$ 13，其中$ 1是DEC（減量）指令的操作碼，而$ 3是指定寄存器R3的（目標）操作數(shù)。

現(xiàn)在假設(shè)我們要增加12位地址為$ 123的存儲單元的4位內(nèi)容。在這種情況下，生成的機器代碼將是$ 0 $ E $ 1 $ 2 $ 3，我們可以將其寫為$ 0E123，其中$ 0是INC（增量）指令的操作碼，$ E是（目標操作數(shù)）指定虛擬寄存器MD（內(nèi)存直接），$ 123是（附加目標操作數(shù)），格式為12位目標地址。

作為當前的最后一個示例，讓我們假設(shè)我們想將％1010的值（十六進制的$ A）移動（復制）到內(nèi)存位置$ 324中。在這種情況下，生成的機器代碼將為$ F $ D $ E $ A $ 3 $ 2 $ 4，我們可以將其寫為$ FDEA321，其中$ F是MOV（移動）指令的操作碼，$ D是（源）操作數(shù)，指定虛擬寄存器CV（常數(shù)），$ E是（目標操作數(shù)），指定虛擬寄存器MD（內(nèi)存直接），$ A（二進制的％1010）是（附加源操作數(shù)）的形式為4位常量值，$ 324是（附加目標操作數(shù)）的形式為12位目標地址。

我們將在接下來的兩列中回顧這些機器代碼指令和等效的匯編語言（相信我，當我們開始考慮匯編語言時，情況會變得更加清晰）。目前，請仔細閱讀并仔細考慮以下注意事項（其編號與上表中的編號匹配），其中對這些內(nèi)容進行了非常詳細的總結(jié)。

＃1如果源是CPU的4位或12位物理寄存器之一，則不會有（附加操作數(shù)）。

＃2如果源是存儲位置（使用MD或MX虛擬寄存器指示），則將是一個3位地址。

＃3如果源是一個常量值（如CV虛擬寄存器所示），則如果目標是4位寄存器或存儲位置，則將是1個半字節(jié)值；如果目標是4位寄存器或存儲位置，則將是1個半字節(jié)值。否則，如果目標是12位寄存器，它將是3個字節(jié)的值。

＃4如果目標是CPU的4位或12位物理寄存器之一，則不會有（附加操作數(shù)）。

＃5如果目標是內(nèi)存位置（如使用MD或MX虛擬寄存器指示的），則將是一個3位的地址。

＃6如果源是4位寄存器，則目標通常是4位寄存器或存儲器位置；否則，目標將是4位寄存器或存儲位置。如果源是4位寄存器，而目標是12位寄存器（PC，SP，IX，IV，TA）之一，則4位寄存器的內(nèi)容將被移入（復制）到最小-目標寄存器的顯著半字節(jié)（LSN）；如果源是12位寄存器之一（PC，SP，IX，IV，TA），則目標通常是12位寄存器或存儲器位置（請參閱注釋7）；如果源是12位寄存器，而目標是4位寄存器，則12位寄存器的LSN的內(nèi)容將被復制到4位寄存器中。

＃7如果將12位寄存器的內(nèi)容復制到內(nèi)存中，則目標操作數(shù)將是3個半字節(jié)字段的最低有效地址。如果將存儲器的內(nèi)容復制到12位寄存器中，則源操作數(shù)將是3個半字節(jié)字段的最低有效地址。

＃8如果源是4位寄存器或存儲器位置，則將1個半字節(jié)值壓入堆棧，并且SP = SP +1；如果源是12位寄存器，則將3個半字節(jié)值壓入堆棧，并且SP = SP + 3;按下PUSH之后，堆棧指針將遞增。

＃9如果源是一個常數(shù)值，則源操作數(shù)將是1個半字節(jié)值，該值將被壓入堆棧，并且SP = SP + 1（在PUSH之后堆棧指針將遞增）。

＃10如果目標是4位寄存器或內(nèi)存位置，則SP = SP – 1且將向堆棧彈出一個1字節(jié)的值（即，堆棧指針將在POP之前遞減）。如果目標是一個12位寄存器，則將從堆棧中彈出一個3位值（以SP = SP – 3結(jié)尾）。

＃11沒有RTS（“從子程序返回”）或RTI（“從中斷返回”）指令–通過使用POP指令從堆棧中檢索返回地址并將其加載到PC中，可以達到相同的效果。

＃12 JMP和JSR指令后跟控制小節(jié)，然后是3小節(jié)目標地址?？刂瓢胱止?jié)用于執(zhí)行無條件跳轉(zhuǎn)或有條件跳轉(zhuǎn)。控制半字節(jié)的最低有效三位指向由S1和S0組成的8位狀態(tài)寄存器中的要測試的位；范圍是000到111（0到7）。假設(shè)控制半字節(jié)的最高有效位為0，則所選狀態(tài)位的值為1會導致跳轉(zhuǎn)；否則，該值將變?yōu)?。例如，JMP％0001 <目標地址>等效于“如果為零則跳轉(zhuǎn)”。相比之下，控制半字節(jié)最高有效位中的1將反轉(zhuǎn)跳轉(zhuǎn)的操作。例如，JMP％1001 <目標地址>等同于“如果不為零則跳轉(zhuǎn)”。請注意，狀態(tài)位7 [S1中的位3]是硬連線的1，

指令和狀態(tài)寄存器

最后（并非暫時），下表總結(jié)了執(zhí)行各種指令影響狀態(tài)寄存器中標志的方式。

指令和狀態(tài)位（來源：Max Maxfield）

您可以想象，設(shè)計計算機是一個反復的過程，事實證明，擁有Joe的仿真器是無價的。例如，只有當Joe開始編寫一個播放井字游戲的程序時，我們才意識到，使用12-像IX（索引寄存器）這樣的位寄存器，因此我們將其添加到規(guī)范中（在物理實現(xiàn)中僅包含一件事。

以下注釋更詳細地說明了上表的內(nèi)容：

＃1將目標值的最高有效位（MSB）復制到C標志中；同時，將C標志的原始內(nèi)容復制到目標值的最低有效位（LSB）。

＃2將目標值的最低有效位（LSB）復制到C（進位）標志；同時，將C標志的原始內(nèi)容復制到目標值的最高有效位（MSB）。

＃3如果比較的值相等，則Z標志設(shè)置為1，否則將其清除為0。

＃4被比較的值被認為是無符號整數(shù)。如果中的值大于中的值，則將C標志設(shè)置為1；否則，將C標志設(shè)置為1。否則清除為0。

＃5如果目標是狀態(tài)寄存器S1，則將從堆棧中加載其標志，并且不會影響S0的內(nèi)容；如果目標是S0，那么將從堆棧中加載其標志；如果目標是其他任何4位位置（寄存器或內(nèi)存），則N和Z標志將照常運行。

＃6這些標志對于4位目標照常工作，但有一個例外-如果目標是狀態(tài)寄存器S0或S1之一，則S0中的標志將不會自動更新；否則，這些標志將自動更新。如果源是12位寄存器，而目標是4位寄存器，則Z和N標志將基于12位寄存器的最低有效字節(jié)的內(nèi)容（即，復制）；如果源是12位寄存器，而目標是存儲器，則將基于整個12位寄存器的內(nèi)容設(shè)置Z標志，并且將基于N位的最高有效字節(jié)的內(nèi)容設(shè)置N標志。 12位寄存器。

＃7將根據(jù)整個12位寄存器的內(nèi)容設(shè)置Z標志，并根據(jù)12位寄存器的最高有效半字節(jié)的內(nèi)容設(shè)置N標志。

編輯：hfy