處理器系列之PowerPC指令集 - 全文

對 PowerPC 體系結(jié)構(gòu)家族樹的所有分支來說，PowerPC 體系結(jié)構(gòu)和應(yīng)用級編程模型是通用的。

PowerPC 體系結(jié)構(gòu)是一種精減指令集計算機（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單一的周期內(nèi)執(zhí)行，而且通常只執(zhí)行一個單一的操作（比如將內(nèi)存加載到寄存器，或者將寄存器數(shù)據(jù)存儲到內(nèi)存）。

PowerPC 體系結(jié)構(gòu)分為三個級別（或者說是“book”）。通過對體系結(jié)構(gòu)以這種方式進行劃分，為實現(xiàn)可以選擇價格/性能比平衡的復(fù)雜性級別留出了空間，同時還保持了實現(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功能，比如高速緩存管理、原子操作和用戶級計時器支持。雖然這些操作也是非特權(quán)的，但是程序通常還是通過操作系統(tǒng)調(diào)用來訪問這些函數(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、特權(quán)計時器訪問的函數(shù)。Book III 中詳細(xì)說明了對各種系統(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)的開發(fā)開始，就根據(jù)特定的市場需求而發(fā)生分支。當(dāng)前，PowerPC 體系結(jié)構(gòu)家族樹有兩個活躍的分支，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)用級擴展，這些擴展大部分與具體應(yīng)用的場合相關(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)級別上表現(xiàn)出不同，但它們在很大程度上具備應(yīng)用級的兼容性。

PowerPC 最初定義了同時對 32 位和 64 位實現(xiàn)的支持，可以讓 32 位的應(yīng)用程序運行于 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)用程序可以運行于同一個系統(tǒng)之上。PowerPC Book E 體系結(jié)構(gòu)同時有 32 位實現(xiàn)和 64 位實現(xiàn)，64 位實現(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，同時提供了對內(nèi)存管理、異常和中斷、計時器支持和調(diào)試支持等各方面的系統(tǒng)級擴展。

POWER 的自然歷史

POWER 和 PowerPC 微處理器有著漫長而傳奇的歷史，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）。每個芯片家族都對計算世界有自己強有力的影響，從游戲控制臺到主機，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，開發(fā)人員應(yīng)時刻謹(jǐn)記處理器處理內(nèi)存的方式存在一些差異。

PowerPC 存儲模型

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

對于錯位數(shù)據(jù)訪問來說，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，其他的是通過硬件中的一步或者多步操作來處理訪問。

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

PowerPC、PowerPC AS 以及早期的 IBM PowerPC 4xx 家族大部分是字節(jié)排列順序最高位在最前的機器，這就意味著對半字、字以及雙字訪問來說，最重要的字節(jié)（most-significant byte，MSB）位于最低的地址。各實現(xiàn)對最低位在最前的字節(jié)排列順序方式的支持不同。PowerPC 和 PowerPC AS 提供了最小限度的支持，而 4xx 家族為最低位字節(jié)在最前的存儲提供了更為健壯的支持。Book E 是字節(jié)排列順序無關(guān)的，因為 Book E 體系結(jié)構(gòu)完全支持這兩種訪問方法。

PowerPC 應(yīng)用級寄存器

PowerPC 的應(yīng)用級寄存器分為三類：通用寄存器（general-purpose register，GPR）、浮點寄存器（floating-point register [FPR] 和浮點狀態(tài)和控制寄存器 [Floating-Point Status and Control Register，F(xiàn)PSCR]）和專用寄存器（special-purpose register，SPR）。讓我們來分別看一下這三類寄存器。

通用寄存器（GPR）

用戶指令集體系結(jié)構(gòu)（Book I）規(guī)定，所有實現(xiàn)都有 32 個 GPR（從GPR0 到 GPR31）。GPR 是所有整數(shù)操作的源和目的，也是所有加載/存儲操作的地址操作數(shù)的源。GPR 還提供對 SPR 的訪問。所有 GRP 都是可用的，只有一種情況例外：在某些指令中，GPR0 只是代表數(shù)值 0，而不會去查找 GPR0 的內(nèi)容。

浮點寄存器（FPR）

Book I 規(guī)定，所有實現(xiàn)都有 32 個 FPR（從 FPR0 到 FPR31）。FPR 是所有浮點操作的源和目的操作數(shù)，可以存放 32 位和 64 位的有符號和無符號整數(shù)，以及單精度和雙精度浮點數(shù)。FPR 還提供對 FPSCR 的訪問。

注意，嵌入式微處理器實現(xiàn)時經(jīng)常不提供對浮點指令集的直接硬件支持，或者只是提供一個附加浮點硬件的接口。很多嵌入式應(yīng)用程序很少或者根本不需要浮點算法，而當(dāng)需要的時候，對 PowerPC 浮點指令執(zhí)行進行軟件仿真就足夠了。在嵌入式微處理器中，硬件中省去浮點（支持）而為實現(xiàn)帶來的芯片面積和功率的減少是至關(guān)重要的。

浮點狀態(tài)和控制寄存器（FPSCR）捕獲浮點操作的狀態(tài)和異常結(jié)果，F(xiàn)PSCR 還具有控制位，以支持特定的異常類型和對四種舍入模式之一的選擇。對 FPSCR 的訪問要通過 FPR。

專用寄存器（SPR）

SPR 給出處理器核心內(nèi)部資源的狀態(tài)并對其進行控制。不需要系統(tǒng)服務(wù)的支持就可以由應(yīng)用程序讀寫的 SPR 包括計數(shù)寄存器（Count Register）、鏈接寄存器（Link Register）和整型異常寄存器（Integer Exception Register）。需要系統(tǒng)服務(wù)的支持才可以由應(yīng)用程序讀寫的 SPR 包括時基（Time Base）和其他各種可能支持的計時器。

指令地址寄存器（Instruction Address Register，IAR）

這個寄存器就是程序員們所熟知的 程序計數(shù)器或者 指令指針。它是當(dāng)前指令的地址。這實際上是一個偽寄存器，用戶只能通過“branch and link”指令才能直接使用這個寄存器。IAR 主要是由調(diào)試器使用，顯示將要被執(zhí)行的下一條指令。

鏈接寄存器（Link Register，LR）

這個寄存器存放的是函數(shù)調(diào)用結(jié)束處的返回地址。某些轉(zhuǎn)移指令可以自動加載 LR 到轉(zhuǎn)移之后的指令。每個轉(zhuǎn)移指令編碼中都有一個 LK 位。如果 LK 為 1，轉(zhuǎn)移指令就會將程序計數(shù)器移為 LR 中的地址。而且，條件轉(zhuǎn)移指令 bclr 轉(zhuǎn)移到 LR 中的值。

定點異常寄存器（Fixed-Point Exception Register，XER）

這個寄存器存放整數(shù)運算操作的進位以及溢出信息。它還存放某些整數(shù)運算操作的進位輸入以及加載和存儲指令（ lswx 和 stswx ）中傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)。

計數(shù)寄存器（Count Register，CTR）

這個寄存器中存放了一個循環(huán)計數(shù)器，會隨特定轉(zhuǎn)移操作而遞減。條件轉(zhuǎn)移指令 bcctr 轉(zhuǎn)移到 CTR 中的值。

條件寄存器（Condition Register，CR）

這個寄存器分為八個字段，每個字段 4 位。很多 PowerPC 指令將指令的第 31 位編碼為 Rc 位，有一些指令要求 Rc 值等于 1。當(dāng) Rc 等于 1 且進行整數(shù)操作時，CR 字段 0 被設(shè)置來表示指令操作的結(jié)果：相等（Equal, EQ），大于（Greater Than, GT），小于（Less Than, LT），以及和溢出（Summary Overflow, SO）。當(dāng) Rc 等于 1 且進行浮點操作時，CR 字段 1 被設(shè)置用來表示 FPSCR 中異常狀態(tài)位的狀態(tài)：FX、FEX、VX 和 OX。任何一個 CR 字段都可以是整數(shù)或者浮點比較指令的目標(biāo)。CR 字段 0 還被設(shè)置用來表示條件存儲指令（ stwcx 或者stdcx ） 的結(jié)果。還有一組指令可以操縱特定的 CR 位、特定的 CR 字段或者整個 CR，通常為了測試而將幾個條件組合到同一個位中。

處理器版本寄存器（Processor Version Register，PVR）

PVR 是一個 32 位只讀寄存器，標(biāo)識處理器的版本和修訂級別。處理器版本由 PowerPC 體系結(jié)構(gòu)過程分配。修訂級別由實現(xiàn)定義。需要有特權(quán)才能訪問 PVR，所以應(yīng)用程序只能在操作系統(tǒng)函數(shù)的幫助下才可以確定處理器版本。

PowerPC 應(yīng)用級指令集

表 1 列出了不同的指令類別以及每類的指令類型。

表 1. 指令類別