處理器系列之PowerPC指令集

對(duì) PowerPC 體系結(jié)構(gòu)家族樹(shù)的所有分支來(lái)說(shuō)，PowerPC 體系結(jié)構(gòu)和應(yīng)用級(jí)編程模型是通用的。

PowerPC 體系結(jié)構(gòu)是一種精減指令集計(jì)算機(jī)（Reduced Instruction Set Computer，RISC）體系結(jié)構(gòu)，定義了 200 多條指令。PowerPC 之所以是 RISC，原因在于大部分指令在一個(gè)單一的周期內(nèi)執(zhí)行，而且通常只執(zhí)行一個(gè)單一的操作（比如將內(nèi)存加載到寄存器，或者將寄存器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到內(nèi)存）。

PowerPC 體系結(jié)構(gòu)分為三個(gè)級(jí)別（或者說(shuō)是“book”）。通過(guò)對(duì)體系結(jié)構(gòu)以這種方式進(jìn)行劃分，為實(shí)現(xiàn)可以選擇價(jià)格/性能比平衡的復(fù)雜性級(jí)別留出了空間，同時(shí)還保持了實(shí)現(xiàn)間的代碼兼容性。

Book I. 用戶指令集體系結(jié)構(gòu)

定義了通用于所有 PowerPC 實(shí)現(xiàn)的用戶指令和寄存器的基本集合。這些是非特權(quán)指令，為大多數(shù)程序所用。

Book II. 虛擬環(huán)境體系結(jié)構(gòu)

定義了常規(guī)應(yīng)用軟件要求之外的附加的用戶級(jí)功能，比如高速緩存管理、原子操作和用戶級(jí)計(jì)時(shí)器支持。雖然這些操作也是非特權(quán)的，但是程序通常還是通過(guò)操作系統(tǒng)調(diào)用來(lái)訪問(wèn)這些函數(shù)。

Book III. 操作環(huán)境體系結(jié)構(gòu)

定義了操作系統(tǒng)級(jí)需要和使用的操作。其中包括用于內(nèi)存管理、異常向量處理、特權(quán)寄存器訪問(wèn)、特權(quán)計(jì)時(shí)器訪問(wèn)的函數(shù)。Book III 中詳細(xì)說(shuō)明了對(duì)各種系統(tǒng)服務(wù)和功能的直接硬件支持。

從最初的 PowerPC 體系結(jié)構(gòu)的開(kāi)發(fā)開(kāi)始，就根據(jù)特定的市場(chǎng)需求而發(fā)生分支。當(dāng)前，PowerPC 體系結(jié)構(gòu)家族樹(shù)有兩個(gè)活躍的分支，分別是PowerPC AS體系結(jié)構(gòu)和 PowerPC Book E體系結(jié)構(gòu)。PowerPC AS 體系結(jié)構(gòu)是 IBM 為了滿足它的 eServer pSeries UNIX 和 Linux 服務(wù)器產(chǎn)品家族及它的 eServer iSeries 企業(yè)服務(wù)器產(chǎn)品家族的具體需要而定義的（參閱 參考資料中的鏈接以獲得更多資料）。PowerPC Book E 體系結(jié)構(gòu)，也被稱為 Book E，是 IBM 和 Motorola 為滿足嵌入式市場(chǎng)的特定需求而合作推出的。PowerPC AS 所采用的原始 PowerPC 體系結(jié)構(gòu)與 Book E 所采用的擴(kuò)展之間的主要區(qū)別大部分集中于 Book III 區(qū)域中。

在這些衍生的體系結(jié)構(gòu)中還有一些適當(dāng)?shù)膽?yīng)用級(jí)擴(kuò)展，這些擴(kuò)展大部分與具體應(yīng)用的場(chǎng)合相關(guān)，但是 PowerPC AS 和 PowerPC Book E 共享在 PowerPC 體系結(jié)構(gòu)的 Book I 中定義的基本指令集。雖然三種體系結(jié)構(gòu)主要在操作系統(tǒng)級(jí)別上表現(xiàn)出不同，但它們?cè)诤艽蟪潭壬暇邆鋺?yīng)用級(jí)的兼容性。

PowerPC 最初定義了同時(shí)對(duì) 32 位和 64 位實(shí)現(xiàn)的支持，可以讓 32 位的應(yīng)用程序運(yùn)行于 64 位系統(tǒng)之上。在 IBM pSeries 和 iSeries 服務(wù)器上使用的 PowerPC AS 系統(tǒng)現(xiàn)在只提供體系結(jié)構(gòu)的 64 位實(shí)現(xiàn)，新的 64 位應(yīng)用程序和遺留的 32 位的應(yīng)用程序可以運(yùn)行于同一個(gè)系統(tǒng)之上。PowerPC Book E 體系結(jié)構(gòu)同時(shí)有 32 位實(shí)現(xiàn)和 64 位實(shí)現(xiàn)，64 位實(shí)現(xiàn)也完全兼容 32 位 PowerPC 應(yīng)用程序。這兩種體系結(jié)構(gòu)都具備與 PowerPC Book I 指令和寄存器的完全兼容性，同時(shí)提供了對(duì)內(nèi)存管理、異常和中斷、計(jì)時(shí)器支持和調(diào)試支持等各方面的系統(tǒng)級(jí)擴(kuò)展。

POWER 的自然歷史

POWER 和 PowerPC 微處理器有著漫長(zhǎng)而傳奇的歷史，最初是 IBM 801，其后是 POWER、RS64 和 PowerPC 芯片系列（這些并不是線性發(fā)展的）。每個(gè)芯片家族都對(duì)計(jì)算世界有自己強(qiáng)有力的影響，從游戲控制臺(tái)到主機(jī)，從數(shù)字手表到高端工作站，到處都得到了應(yīng)用。欲了解全部歷史，請(qǐng)閱讀“ 人類的 POWER：IBM 的芯片制造歷史”。

最初的 PowerPC 體系結(jié)構(gòu)仍是 PowerPC AS 和 PowerPC Book E 的主要組成部分，并仍保持了其完整性，表現(xiàn)出了令人信服的應(yīng)用級(jí)兼容性。

PowerPC 應(yīng)用程序編程模型

當(dāng)用到不只一種類型的 PowerPC 處理器時(shí)，開(kāi)發(fā)人員應(yīng)時(shí)刻謹(jǐn)記處理器處理內(nèi)存的方式存在一些差異。

PowerPC 存儲(chǔ)模型

PowerPC 體系結(jié)構(gòu)本身支持字節(jié)（8 位）、半字（16 位）、字（32 位） 和雙字（64 位） 數(shù)據(jù)類型。

PowerPC 實(shí)現(xiàn)還可以處理最長(zhǎng) 128 字節(jié)的多字節(jié)字符串操作。32 位 PowerPC 實(shí)現(xiàn)支持 4-gigabyte 的有效地址空間，而 64 位 PowerPC 實(shí)現(xiàn)支持 16-exabyte 的有效地址空間。所有存儲(chǔ)都可以字節(jié)尋址。

對(duì)于錯(cuò)位數(shù)據(jù)訪問(wèn)來(lái)說(shuō)，不同的產(chǎn)品家族提供了不同的校準(zhǔn)支持，有一些是以處理異常的方式，其他的是通過(guò)硬件中的一步或者多步操作來(lái)處理訪問(wèn)。

最高位字節(jié)在最前（Big-endian）還是最低位字節(jié)在最前（little-endian）?