32位PowerPC構(gòu)架通用寄存器分析及總結(jié)一

1、32位PowerPC構(gòu)架通用寄存器分析及總結(jié)一第一部分32位PowerPC構(gòu)架下寄存器概述32位PowerPC構(gòu)架寄存器模型可以分成三個(gè)類級(jí)別：UISA,VEAOEA我們根據(jù)這三個(gè)級(jí)別把PowerPC所使用的所有寄存器分為三類：第一類：用戶指令集構(gòu)架(UISA-UserInstructionSetArchitecture)下所使用的寄存器；第二類：虛擬環(huán)境構(gòu)架(VEA-VirtualEnvironmentArchitecture)下所使用的寄存器；第三類：操作系統(tǒng)環(huán)境(OEA-OperatingEnvironmentArchitecture)下所使用的寄存器；PowerPC指令集構(gòu)架為所有的算

2、術(shù)邏輯運(yùn)算指令定義了“寄存器到寄存器”格式的指令，這些指令的操作數(shù)來(lái)自或者來(lái)自于寄存器，或者來(lái)自于指令中的立即數(shù)。而對(duì)于“三寄存器”格式的指令，PowerPC指令集定義其中一個(gè)寄存器用來(lái)存目的操作數(shù)，另外兩個(gè)寄存器用來(lái)存放源操作數(shù)。這樣的話，存放源操作數(shù)的寄存器還可以被其它指令使用，從而減少了某些操作的指令數(shù)目。并且對(duì)于訪問(wèn)寄存器，PowerPC構(gòu)架定義了明確的load和store訪存指令(這是RISC指令集的典型特點(diǎn))。備注：寄存器中的保留位允許軟件寫任何值(其實(shí)就是0或者1),但是讀出來(lái)的值，未必是我們寫出來(lái)的值。它的值依賴于具體的執(zhí)行系統(tǒng)。接下來(lái)，我們分別來(lái)介紹這三類寄存器。第二部分UI

3、SA寄存器集合用戶模式下的寄存器可以被所有的用戶級(jí)軟件和特權(quán)級(jí)軟件所使用，它包含以下的寄存器：32個(gè)通用寄存器GPRs(General-purposeregisters):GPR0-GPR3132個(gè)浮點(diǎn)寄存器FRPs(Floating-pointregisters):FPR0-FPR311個(gè)條件寄存器：CR(Conditionregister);1個(gè)XER寄存器；1個(gè)LR(Linkregister)寄存器；1個(gè)CTR(Countregister)寄存器；1個(gè)浮點(diǎn)狀態(tài)控制寄存器：FPSCR(Floating-pointstatusandcontrolregister);備注：不管是單精度數(shù)還是雙

4、精度數(shù)，在浮點(diǎn)寄存器中都是以雙精度格式存儲(chǔ)。示意圖如下：R口14t-eSupwvisorXttVHvraOp«rafmgErtvfronmontAft;hM:«ctur«(OBA)MMUR咕Elfre031EaUiZu$tansMw.飆erfc-jiator4DtfHigRaglslflrivMllicNnlthmiicowigiinUiOfi蚪”1司|1單足o,1MSP|啊Mgg|PiW|PmnaaxS3Ipl3sH源|iPlDCMKfTtimr/D*erwitfiterHrp.tiM，EJrteitHlAcciMBR*»gMr3r-4FABIEjdr

5、<nriarni.叫卬xhptoiitfiFigure2-1.UFSAProgramtningMo4ei-U«r-LevelRosiers2.1 通用寄存器GPRs32個(gè)32位通用寄存器主要用來(lái)操作整數(shù)數(shù)據(jù)，它們可以作為指令源寄存器和目的寄存器使用，使用起來(lái)比較簡(jiǎn)單，這里就不再相信介紹2.2 浮點(diǎn)寄存器FPRsPowerPC構(gòu)架使用32個(gè)64位的浮點(diǎn)寄存器，這些寄存器可以在浮點(diǎn)指令中用作源操作數(shù)和目的操作數(shù)。無(wú)論是單精度浮點(diǎn)數(shù)還是雙精度浮點(diǎn)數(shù)在浮點(diǎn)寄存器中都是以雙精度格式存儲(chǔ)。除了浮點(diǎn)比較指令之外，其他的浮點(diǎn)操作指令都是操作FPRs中的數(shù)據(jù)，然后把操作結(jié)果放入FPRs中，同時(shí)把

6、浮點(diǎn)操作的狀態(tài)信息存入FPSC珅；而浮點(diǎn)比較指令的結(jié)果一般會(huì)存放在CR寄存器的CR2字段中。另外對(duì)于FPRs同存放在內(nèi)存中的雙精度輸進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存時(shí)，不需要格式轉(zhuǎn)換；而對(duì)于FPRs和放在在內(nèi)存中的單精度數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)存時(shí)需要格式轉(zhuǎn)換；而且單精度指令操作FPRs中的數(shù)據(jù)時(shí)，必須把FPRs中的雙精度格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成單精度格式，單精度指令才能使用。2.3 CR寄存器32位的CR寄存器可以反映某些操作的結(jié)果（比如cmp指令），協(xié)助測(cè)試和分支轉(zhuǎn)移指令的執(zhí)行。CR寄存器用來(lái)存放指令執(zhí)行之后的狀態(tài)，該寄存器分為8個(gè)字段。分別為CRQCR1,CR%每個(gè)字段都由4bit組成。各個(gè)字段CRn（n從Q至7）都可以表示響應(yīng)指

7、令執(zhí)行的結(jié)果：比如整數(shù)的加減及邏輯運(yùn)算，使用CRQ來(lái)存放狀態(tài)，CRQ的四個(gè)bit位的含義如下：CRQ（Q）:用來(lái)表示LT（小于），當(dāng)整型指令運(yùn)算結(jié)果為負(fù)時(shí)置1;CRQ（1）:用來(lái)表示GT（大于），當(dāng)整型指令運(yùn)算結(jié)果為正時(shí)置1;CRQ（2）:用來(lái)表示EQ（等于），當(dāng)整型指令運(yùn)算結(jié)果為Q時(shí)置1;CRQ（3）:用來(lái)表示SO（溢出），當(dāng)整型指令運(yùn)算結(jié)果溢出時(shí)置1;同理浮點(diǎn)數(shù)的運(yùn)算使用CR1來(lái)保存運(yùn)算狀態(tài)，保存過(guò)程同上。其實(shí)比較指令可以使用CR寄存器的全部的CRn（n從Q至7）來(lái)保存運(yùn)算的結(jié)果。在使用CR寄存器時(shí)，比較指令cmp之后都會(huì)有一個(gè)條件跳轉(zhuǎn)指令，比如bc指令。其中cmp指令可以指定由CR寄存器

8、的CRn段來(lái)保存結(jié)構(gòu)，cmpi指令就用BF字段來(lái)指定CRn字段，一般而言bc指令就會(huì)指向cmp中相同的CRn段來(lái)決定跳轉(zhuǎn)。下面的指令用來(lái)操作CR寄存器的各個(gè)CRn域：1:mtcrf用一個(gè)GPR勺值來(lái)設(shè)置CR寄存器的CRn域；2：mcrf把CR寄存器的一個(gè)域CRn拷貝到另一個(gè)域CRm3: mcrxr把XER寄存器的bitQ-bit3拷貝到CR寄存器的一個(gè)域CRn4：mcrfs把指定的FPSCFW存器的一個(gè)域拷貝到指定的CR寄存器的一個(gè)域CRn5: CR寄存器的CRQ域存放整數(shù)指令的運(yùn)算結(jié)果6: CR寄存器的CR1域存放浮點(diǎn)數(shù)指令的運(yùn)算結(jié)果7:可以指定CR寄存器的任何一個(gè)域CRn來(lái)存放整數(shù)指令和浮

9、點(diǎn)數(shù)指令的運(yùn)算結(jié)果；6.1.1 對(duì)于CR寄存器的CRQ域解釋對(duì)于所有的整數(shù)指令比如addic.,adni.和andis.等（.表示Rc位置位），指令的執(zhí)行結(jié)果將會(huì)反映在CRQ位上。CRQQ:2位根據(jù)整數(shù)指令的運(yùn)算結(jié)構(gòu)設(shè)定，CR3由XERSQ位拷貝過(guò)來(lái)，四個(gè)bit位的含義上面已經(jīng)講過(guò)。備注：我們不難想到，如果發(fā)生溢出，CRQ的前三個(gè)bit就沒(méi)有參考價(jià)值了。6.1.2 對(duì)于CR寄存器的CR1域?qū)τ谒械母↑c(diǎn)運(yùn)算指令（指令的Rc位置位），CR1將反映浮點(diǎn)運(yùn)算指令的結(jié)果。具體的說(shuō)CR1Q:3位拷貝自FPSCRQ:3,來(lái)反映浮點(diǎn)運(yùn)算的異常狀態(tài)。6.1.3 對(duì)于指定的CRn域的解釋對(duì)于比較指令而言，它們通

10、常會(huì)自己指定一個(gè)CRn域來(lái)存放比較指令的運(yùn)算結(jié)果。比如對(duì)cmpi指令：cmpiBF,L,RA,SI語(yǔ)義：n<-BF表示的數(shù)值ifL=Qthena<EXTS（RA）32:63）elsea<（RA）ifa<EXTS(SI)thenc<-Qb1QQ/小于時(shí)設(shè)置CRn(Q)為1elseifa>EXTS(SI)thenc<0b010/大于時(shí)設(shè)置CRn(1)為1elsec<-0b001/等于時(shí)設(shè)置CRn(2)為1CR寄存器中的：4XBF+32:4XBF+35<-c|XER寄存器中SO位/|表示字符連接解釋：將寄存器RA與立即數(shù)SI進(jìn)行比較，然后將比較指

11、令產(chǎn)生的狀態(tài)放入CR寄存器的不同字段中，CR寄存器有8個(gè)CRn字段(門從0至7),可以有三個(gè)bit位的BF段指定。L表示是進(jìn)行32位還是64的比較。對(duì)于e600而言，只有L=0的比較。2.4 FPSCR寄存器FPSCFW存器白各個(gè)bit位的作用：1:記錄浮點(diǎn)操作的異常2:記錄浮點(diǎn)操作的結(jié)果的類型3:控制浮點(diǎn)操作的回旋模式(roundingmode)4：使能或者禁止異常報(bào)告FPSCR0:23是狀態(tài)bit位，在浮點(diǎn)指令的執(zhí)行單元完成時(shí)更新；FPSCR24:31是控制位；2.5 XER寄存器XER寄存器是用戶模式寄存器，存放整數(shù)運(yùn)算操作的進(jìn)位，溢出信息以及特殊加載和存儲(chǔ)指令lswd和stsws傳輸?shù)?/p>

12、字節(jié)數(shù)。XER寄存器有三個(gè)有效位(SO-SummaryOverflow,OV-Overflow,CA-Carry)和一個(gè)有效字段BytecountSO位：XER0位，該位為1表示算術(shù)指令曾經(jīng)將OV位置1;CR寄存器的SO位就是復(fù)制了XER寄存器的SO位，SO位一旦被設(shè)置，就不會(huì)被?#除，真到程序使用mtspr,mcrxr指令進(jìn)行清除。OV位：XER1位，表示有符合數(shù)的算術(shù)運(yùn)算產(chǎn)生了溢出。CA位：XER2位,表示無(wú)符號(hào)數(shù)運(yùn)算產(chǎn)生了進(jìn)位。Bytecount字段：XER25:31存放lswd和stsws傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)。2.6 LR寄存器LR寄存器用來(lái)存放函數(shù)的返回地址，某些轉(zhuǎn)移指令可以自動(dòng)的將LR寄存

13、器賦值為該轉(zhuǎn)移指令所在地址的下一個(gè)地址。LR寄存器還可以用作bclr指令的目標(biāo)地址，來(lái)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)跳轉(zhuǎn)。示意圖如下：Z952961000051c<pr?int>:237loaoosic21flfOrl,-16(1:1)Z9S100005207cOS02曰6trfIrrO2993001000052410000528909301el000014Oc3t.WstwrO,20(rl)r31,12(rl)3011000052c7c3fOb7Smrr31/rl90S100005303c001000113r0,409fi3031000053306006eSaddic“，1768304100005384

14、S010361b.L10010898<putsplt>3051000053c397f0010add!163061000054080Ob00SluzirQ(til)307100005447cOB03a6mtlrrO30S1000054883cbfffcIwz工31.-4(rll)3091000054c7d615b78mirl,til返回LR寄存器中保310100005504已80002nFblrJT存的0x1000056c311312R口口口口55410000S543139421fffDstiruirl.-lG(rl)314100005587coe0206niflrrO3151000

15、055c90010014stur-0,20(rlj3161000055093el00OcSt-Wr31,12(rl)317100005647c3工Ob?e31S100005684bffftbSIr1000051c-print>319320lOOOOESc10000570387c00030003DO.?a11ruRr3.r0A32110000574397f0010addit1Lr31,器3ZZ1000057880Ob0004Li調(diào)用Mim。函數(shù)，同時(shí)把該指令3Z31000057c7c0803a6制的下一條指令地址0x1000056c放32410000580B3ebfffc11入LR寄存器3

16、Z51O0OO5S47d61Sb?ami3Z6100005868Q0020b3271000058c000181bO*longOxlSltoO3Z9備注：圖中的blr是bclr20,0指令的助記符。2.7 CTR指令CTR寄存器用來(lái)保存循環(huán)變量，并可以根據(jù)bclr的BO操作數(shù)來(lái)自動(dòng)進(jìn)行減1操作。此外CTR寄存器還可用來(lái)保存bcctr指令的目標(biāo)地址，用來(lái)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)調(diào)轉(zhuǎn)。第三部分虛擬環(huán)境構(gòu)架(VEA-VirtualEnvironmentArchitecture)寄存器集虛擬環(huán)境工具寄存器集只包含Time-Base寄存器組。示意圖如下：VhrtMiErMrOtim4nlArChllecluht(VEAib

17、UtrutUOh-A«M4K3laMgl*gr4e時(shí)FP陰LcPFCRirirr2舊4H.ihE申L*4FscnRRMFHqs1sp(hcoufriandutkKn«giii«re1imlmygi，叩4FtoAq-painl31MgTl>¥日力3R但RilLOin%QII«pr中為5TBLTLlUfir-L9volR”-tKUs4rM«rdt1IOnXtArclilltKluiUtSA*l:口匚»GeiwralHput|xj4r修gH4s<5MMUR«gibtenCdnfiquraiWnH-越1第噫fi

18、1AlUHMtmW*5卬甲爐甲刈印IU1甲142BftfMJUBSTcTPTWMKrDBATiLDBsrar"dbaIsiLDwTiJrm-Dita的巡4Klek-E：.vbtr%stem"wr"aw"TBL一iTBU'1KTknwMDecE4nM*rCteCAMT啟力健，Ejit*mai看姓心見(jiàn)專R*.tr£*nW臺(tái)國(guó)?.F*bto；p4i->naiiWiD«MgItegtrier修眄I+，用守I-I：CiiEH)f«|Lfl|l«khq加SuprvHor-L*lR聞出tor*Op，ri舊目EnYirqnm審WArchHwmnH口E匐Figure2-9.VEAProqiwnm加門flndUaerLevelRflqisterePlusTimeBawVEA寄存器組可以被所有的處于用戶模式或者系統(tǒng)模式下的軟件所訪問(wèn)，從VEA寄存器組的示意圖我們可以看出，和UISA寄存器相比。VEA寄存器只是引入了一個(gè)64位的結(jié)構(gòu)體，它包含兩個(gè)寄存器：TBU(TimeBaseU