PowerPC基础知识

Posted 2023-02-18 布列瑟农的秋天

1. PowerPC级别

PowerPC 体系结构分为三个级别（或者说是“book”）。通过对体系结构以这种方式进行划分，为实现可以选择价格/性能比平衡的复杂性级别留出了空间，同时还保持了实现间的代码兼容性。

Book I. 用户指令集体系结构

定义了通用于所有 PowerPC 实现的用户指令和寄存器的基本集合。这些是非特权指令，为大多数程序所用。

Book II. 虚拟环境体系结构

定义了常规应用软件要求之外的附加的用户级功能，比如高速缓存管理、原子操作和用户级计时器支持。虽然这些操作也是非特权的，但是程序通常还是通过操作系统调用来访问这些函数。

Book III. 操作环境体系结构

定义了操作系统级需要和使用的操作。其中包括用于内存管理、异常向量处理、特权寄存器访问、特权计时器访问的函数。Book III 中详细说明了对各种系统服务和功能的直接硬件支持。

 

2. PowerPC存储模型

PowerPC 体系结构本身支持字节（8 位）、字（16 位）、双字（32 位） 和四字（64 位） 数据类型。PowerPC 实现还可以处理最长 128 字节的多字节字符串操作。32 位 PowerPC 实现支持 4-gigabyte 的有效地址空间，而 64 位 PowerPC 实现支持 16-exabyte 的有效地址空间。所有存储都可以字节寻址。

 

3. PowerPC应用级寄存器

PowerPC 的应用级寄存器分为三类：通用寄存器（general-purpose register，GPR）、浮点寄存器（floating-point register [FPR] 和浮点状态和控制寄存器 [Floating-Point Status and Control Register，FPSCR]）和专用寄存器（special-purpose register，SPR）。让我们来分别看一下这三类寄存器。

通用寄存器（GPR）

用户指令集体系结构（Book I）规定，所有实现都有 32 个 GPR（从GPR0 到 GPR31）。GPR 是所有整数操作的源和目的，也是所有加载/存储操作的地址操作数的源。GPR 还提供对 SPR 的访问。所有 GRP 都是可用的，只有一种情况例外：在某些指令中，GPR0 只是代表数值 0，而不会去查找 GPR0 的内容。

浮点寄存器（FPR）

Book I 规定，所有实现都有 32 个 FPR（从 FPR0 到 FPR31）。FPR 是所有浮点操作的源和目的操作数，可以存放 32 位和 64 位的有符号和无符号整数，以及单精度和双精度浮点数。FPR 还提供对 FPSCR 的访问。

注意，嵌入式微处理器实现时经常不提供对浮点指令集的直接硬件支持，或者只是提供一个附加浮点硬件的接口。很多嵌入式应用程序很少或者根本不需要浮点算法，而当需要的时候，对 PowerPC 浮点指令执行进行软件仿真就足够了。在嵌入式微处理器中，硬件中省去浮点（支持）而为实现带来的芯片面积和功率的减少是至关重要的。

浮点状态和控制寄存器（FPSCR）捕获浮点操作的状态和异常结果，FPSCR 还具有控制位，以支持特定的异常类型和对四种舍入模式之一的选择。对 FPSCR 的访问要通过 FPR。

专用寄存器（SPR）

SPR 给出处理器核心内部资源的状态并对其进行控制。不需要系统服务的支持就可以由应用程序读写的 SPR 包括计数寄存器（Count Register）、链接寄存器（Link Register）和整型异常寄存器（Integer Exception Register）。需要系统服务的支持才可以由应用程序读写的 SPR 包括时基（Time Base）和其他各种可能支持的计时器。

• 指令地址寄存器（Instruction Address Register，IAR）
  这个寄存器就是程序员们所熟知的 程序计数器或者 指令指针。它是当前指令的地址。这实际上是一个伪寄存器，用户只能通过“branch and link”指令才能直接使用这个寄存器。IAR 主要是由调试器使用，显示将要被执行的下一条指令。
• 链接寄存器（Link Register，LR）
  这个寄存器存放的是函数调用结束处的返回地址。某些转移指令可以自动加载 LR 到转移之后的指令。每个转移指令编码中都有一个 LK 位。如果 LK 为 1，转移指令就会将程序计数器移为 LR 中的地址。而且，条件转移指令 bclr 转移到 LR 中的值。
• 定点异常寄存器（Fixed-Point Exception Register，XER）
  这个寄存器存放整数运算操作的进位以及溢出信息。它还存放某些整数运算操作的进位输入以及加载和存储指令（ lswx 和 stswx ）中传输的字节数。
• 计数寄存器（Count Register，CTR）
  这个寄存器中存放了一个循环计数器，会随特定转移操作而递减。条件转移指令 bcctr 转移到 CTR 中的值。
• 条件寄存器（Condition Register，CR）
  这个寄存器分为八个字段，每个字段 4 位。很多 PowerPC 指令将指令的第 31 位编码为 Rc 位，有一些指令要求 Rc 值等于 1。当 Rc 等于 1 且进行整数操作时，CR 字段 0 被设置来表示指令操作的结果：相等（Equal, EQ），大于（Greater Than, GT），小于（Less Than, LT），以及和溢出（Summary Overflow, SO）。当 Rc 等于 1 且进行浮点操作时，CR 字段 1 被设置用来表示 FPSCR 中异常状态位的状态：FX、FEX、VX 和 OX。任何一个 CR 字段都可以是整数或者浮点比较指令的目标。CR 字段 0 还被设置用来表示条件存储指令（ stwcx 或者 stdcx ） 的结果。还有一组指令可以操纵特定的 CR 位、特定的 CR 字段或者整个 CR，通常为了测试而将几个条件组合到同一个位中。
• 处理器版本寄存器（Processor Version Register，PVR）
  PVR 是一个 32 位只读寄存器，标识处理器的版本和修订级别。处理器版本由 PowerPC 体系结构过程分配。修订级别由实现定义。需要有特权才能访问 PVR，所以应用程序只能在操作系统函数的帮助下才可以确定处理器版本。

 

4. PowerPC应用级指令集

表 1 列出了不同的指令类别以及每类的指令类型。

表 1. 指令类别

指令类别	基本指令
Branch	branch, branch conditional, branch to LR, branch to CTR
Condition register	crand, crnor, creqv, crxor, crandc, crorc, crnand, cror, CR move
Storage access	load GPR/FPR, store GPR/FPR
Integer arithmetic	add, subtract, negate, multiply, divide
Integer comparison	compare algebraic, compare algebraic immediate, compare logical,compare logical immediate
Integer logical	and, andc, nand, or, orc, nor, xor, eqv, sign extension, countleading zeros
Integer rotate/shift	rotate, rotate and mask, shift left, shift right
Floating-point arithmetic	add, subtract, negate, multiply, divide, square root, multiply-add,multiply-subtract, negative multiply-add, negative multiply-subtract
Floating-point comparison	compare ordered, compare unordered
Floating-point conversion	round to single, convert from/to integer word/doubleword
FPSCR management	move to/from FPSCR, set/clear FPSCR bit, copy FPSCR field to CR
Cache control	touch, zero, flush, store
Processor management	system call, move to/from special purpose registers, mtcrf, mfcr

指令解析

所有指令的编码长度都是 32 位。PowerPC 的位编号方式与大部分其他定义相反：第 0 位是最重要的位，第 31 位是最不重要的位。指令首先由一个字段中较高的 6 位进行解码，这 6 位称为 主要操作码（primary opcode）。其余 26 位包含的字段分别是操作数说明、立即（immediate）操作数以及扩展的操作码（opcode），而且这些还可能是保留的位或字段。表 2 列出了 PowerPC 定义的基本指令格式。

表 2. PowerPC 指令格式

格式	0	6	11	16	21	26	30	31
D-form	opcd	tgt/src	src/tgt	immediate
X-form	opcd	tgt/src	src/tgt	src	extended opcd
A-form	opcd	tgt/src	src/tgt	src	src	extended opcd		Rc
BD-form	opcd	BO	BI	BD			AA	LK
I-form	opcd	LI					AA	LK

• D-form
  这一指令格式提供至多两个寄存器作为源操作数，一个立即源，至多两个寄存器作为目的操作数。这一指令格式的一些变种使用部分目的和源寄存器操作数说明符作为立即字段或作为扩展的操作码。
• X-form
  这一指令格式提供至多两个寄存器作为源操作数，至多两个目的操作数。这一指令格式的一些变种使用部分目的和源寄存器操作数说明符作为立即字段或作为扩展的操作码。
• A-form
  这一指令格式提供至多三个寄存器作为源操作数，以及一个目的操作数。这一指令格式的一些变种使用部分目的和源寄存器操作数说明符作为立即字段或作为扩展的操作码。
• BD-form
  条件转移指令使用的是这一指令格式。BO 指令字段指定了条件的类型；BI 指令字段指定了以哪个 CR 位作为条件；BD 字段用作转移位置。AA 位指定了转移是绝对转移还是相对转移。换名话说，转移目标地址是立即字段的值，还是立即字段的值与转移地址的和。LK 位指定了下一个顺序指令的地址是否作为子例程调用的返回地址保存在链接寄存器中。
• I-form
  无条件转移指令使用这一指令格式。由于是无条件的，BD 格式中的 BO 和 BI 字段改变为另外的转移位置，以构成 LI 指令字段。同 BD 格式一样，这一指令格式也支持 AA 和 LK 位。

如前所述，这些指令格式各有其变种。不过，这些格式是对大部分 PowerPC 指令集编码结构的最好描述。

转移指令

PowerPC 为控制流程提供了一组指令，包括：

• 条件和无条件转移指令。
• “递减计数和如果是零或者非零时转移”的能力。
• 绝对转移和相对转移。
• 使用链接寄存器或计数寄存器来指定转移目标地址的转移指令。

所有的转移指令都具备保存后继顺序指令地址的能力，包括到链接寄存器的转移。条件寄存器 32 位中的任意一位都可以指定为条件转移的条件，并可以指定 CR 位是否必须为 0 或 1 时转移条件才成立。

条件寄存器指令

PowerPC 提供了一组用于对 CR 的特定位执行布尔操作和对 CR 字段进行拷贝的指令。它允许组合多个转移条件，这样可以减少代价高昂的条件转移的数量。表 3 列出了 PowerPC CR 逻辑指令。

表 3. PowerPC CR 逻辑指令

助记符	指令名
crand	CR logical and
crandc	CR logical and with complement
creqv	CR logical equivalent
crnand	CR logical not and
crnor	CR logical not or
cror	CR logical or
crorc	CR logical or with complement
crxor	CR logical xor

整数运算指令

很多指令用于执行运算操作，包括 add、substract、negate、compare、multiply 和 divide。很多格式用于立即值、溢出检测以及进位和借位。各实现中 multiply 和 divide 的执行是不同的，因为这些通常是多周期指令。表 4 列出了 PowerPC 整数运算指令。

表 4. PowerPC 整数运算指令

助记符	指令名
add[o][.]	add [& record OV] [& record CR0]
addc[o][.]	add carrying [& record OV] [& record CR0]
adde[o][.]	add extended [& record OV] [& record CR0]
addi	add immediate
addis	add immediate shifted
addic[.]	add immediate carrying [& record CR0]
addme[o][.]	add to minus one [& record OV] [& record CR0]
addze[o][.]	add to zero [& record OV] [& record CR0]
divd[o][.]	divide doubleword [& record OV] [& record CR0]
divdu[o][.]	divide doubleword unsigned [& record OV] [& record CR0]
divw[o][.]	divide word [& record OV] [& record CR0]
divwu[o][.]	divide word unsigned [& record OV] [& record CR0]
mulhd[.]	multiply high doubleword [& record CR0]
mulhdu[.]	multiply high doubleword unsigned [& record CR0]
mulhw[.]	multiply high word [& record CR0]
mulhwu[.]	multiply high word unsigned [& record CR0]
mulld[o][.]	multiply low doubleword [& record OV] [& record CR0]
mulli	multiply low immediate
mullw[o][.]	multiply low word [& record OV] [& record CR0]
neg[o][.]	negate [& record OV] [& record CR0]
subf[o][.]	subtract from [& record OV] [& record CR0]
subfc[o][.]	subtract from carrying [& record OV] [& record CR0]
subfe[o][.]	subtract from extended [& record OV] [& record CR0]
subfi	subtract from immediate
subfis	subtract from immediate shifted
subfic[.]	subtract from immediate carrying [& record CR0]
subfme[o][.]	subtract from to minus one [& record OV] [& record CR0]
subfze[o][.]	subtract from to zero [& record OV] [& record CR0]

逻辑、循环和移位指令

PowerPC 提供了一组完整的逻辑操作（指令），还支持对符号的扩展以及对 GPR 中前置零的统计。表 5 列出了 PowerPC 逻辑指令。

表 5. PowerPC 逻辑指令

助记符	指令名
and[.]	and [& record CR0]
andc[.]	and with complement [& record CR0]
andi.	and immediate & record CR0
andis.	and immediate shifted & record CR0
eqv[.]	equivalent [& record CR0]
nand[.]	not and [& record CR0]
nor[.]	not or [& record CR0]
or[.]	or [& record CR0]
orc[.]	or with complement [& record CR0]
oris	or immediate shifted
ori	or immediate
xor[.]	xor [& record CR0]
xoris	xor immediate shifted
xori	xor immediate
cntlzd[.]	count leading zeros doubleword [& record CR0]
cntlzw[.]	count leading zeros word [& record CR0]
extsb[.]	extend sign byte [& record CR0]
extsh[.]	extend sign halfword [& record CR0]
extsw[.]	extend sign word [& record CR0]

PowerPC 提供了一组健壮而强大的循环和移位操作（指令），如表 6 所列。

表 6. PowerPC 循环和移位指令

助记符	指令名
rldc[.]	rotate left doubleword then clear [& record CR0]
rldcl[.]	rotate left doubleword then clear left [& record CR0]
rldcr[.]	rotate left doubleword then clear right [& record CR0]
rldicl[.]	rotate left doubleword immediate then clear left [& record CR0]
rldicr[.]	rotate left doubleword immediate then clear right [& record CR0]
rldimi[.]	rotate left doubleword immediate then mask insert [& record CR0]
rlwimi[.]	rotate left word immediate then mask insert [& record CR0]
rlwinm[.]	rotate left word immediate then and with mask [& record CR0]
rlwnm[.]	rotate left word then and with mask [& record CR0]
sld[.]	shift left doubleword [& record CR0]
slw[.]	shift left word [& record CR0]
srad[.]	shift right doubleword [& record CR0]
sradi[.]	shift right doubleword immediate [& record CR0]
sraw[.]	shift right word [& record CR0]
srawi[.]	shift right word immediate [& record CR0]
srd[.]	shift right doubleword [& record CR0]
srw[.]	shift right word [& record CR0]

浮点指令

PowerPC 提供了一组健壮的浮点运算、比较和转换操作（指令）。与软件支持一道，PowerPC 浮点运算完全符合 ANSI/IEEE 标准 754-1985 规范。在所有运算和比较操作中都支持单精度和双精度浮点格式。

虽然浮点数以双精度格式存储于 FPR 中，但是，有一组单精度运算指令，可以执行运算操作并将最终结果舍入为单精度，同时检测进行单精度操作时可能会发生的异常（比如指数溢出、下溢和失去精度）。

• 一组 Load Floating-point Single指令可以访问存储器中的字，并在将其放入目标 FPR 前把单精度值转换为双精度值。
• 一组 Store Floating-point Single指令可以将源 FPR 中的源操作数在存储到存储器中目标字之前转换为单精度格式。

可以启用或禁用具体种类的浮点异常来支持设陷（trapping） 环境。表 7 列出了基本的和可选的 PowerPC 浮点指令集。

表 7. PowerPC 浮点指令

助记符	指令名
fmr[.]	FP move [& record CR1]
fneg[.]	FP negate [& record CR1]
fabs[.]	FP absolute value [& record CR1]
fnabs[.]	FP negative absolute value [& record CR1]
fadd[s][.]	FP add [single] [& record CR1]
fsub[s][.]	FP subtract [single] [& record CR1]
fmul[s][.]	FP multiply [single] [& record CR1]
fdiv[s][.]	FP divide [single] [& record CR1]
fsqrt[s][.]	FP square root [single] [& record CR1]
fmadd[s][.]	FP multiply-add [single] [& record CR1]
fmsub[s][.]	FP multiply-subtract [single] [& record CR1]
fnmadd[s][.]	FP negative multiply-add [single] [& record CR1]
fnmsub[s][.]	FP negative multiply-subtract [single] [& record CR1]
fcmpo	FP compare ordered
fcmpu	FP compare unordered
fsel[.]	FP select [& record CR1]
frsp[.]	FP round to single [& record CR1]
fcfid[.]	FP convert from integer doubleword [& record CR1]
fctid[z][.]	FP convert to integer doubleword [& round to zero] [& record CR1]
fctiw[z][.]	FP convert to integer word [& round to zero] [& record CR1]
fres[.]	FP reciprocal estimate single [& record CR1]
frsqrte[.]	FP reciprocal square root estimate [& record CR1]

FPSCR 处理指令

表 8 列出了基本的 PowerPC FPSCR 处理指令集。

表 8. PowerPC FPSCR 处理指令集

助记符	指令名
mcrfs	move to CR from FPSCR
mffs[.]	move from FPSCR
mtfsb0[.]	move to FPSCR bit 0
mtfsb1[.]	move to FPSCR bit 1
mtfsf[.]	move to FPSCR field
mtfsfi[.]	move to FPSCR field immediate

加载和存储指令

所有加载和存储指令的执行都使用 GPR 或者 GPR 和指令中的立即字段作为存储器访问的地址说明符。用指令生成的数据有效地址来更新基址寄存器（也就是 RA）是大部分加载和存储指令的一个可选项。

有用于以下方面的指令：

• 字节、半字、字和双字大小。
• 在 GPR 或 FPR 与存储器之间移动数据。
• 在 GPR 或 FPR 与存储器之间移动数据。

特殊的存储器访问指令包括：

• 多字加载/存储
  即 lmw 和 stmw ，可以操作最多 31 个 32 位字。
• 字符串指令
  这些指令可以操作最长 128 字节的字符串。
• 内存同步指令
  这些用于实现内存同步。CR 的第 2 位（EQ 位） 设置用来记录存储操作的成功完成。内存同步指令包括：
  • lwarx （加载字并预留变址）
  • ldarx （加载双字并预留变址）
  • stwcx （存储字条件变址）
  • stdcx （存储双字条件变址）
  lwarx / ldarx 执行加载并设置处理器内部的预留位，编程模型不必明确了解这些行为。如果设置了预留位，相应的存储指令 stwcx. / stdcx. 执行条件存储，并清除预留位。