设计mips32cpu时，运算指令溢出怎么处理

Posted 2023-04-27

addiu是GPR和立即数做无符号加法操作,请参考ISA.有溢出的操作在溢出发生时会发exception,即overflow exception；无溢出运算在溢出发生（GPR的位宽有限,表示不了结果）时,不报告（HW不报告给SW).溢出的处理,随便,MIPS架构定义了,这样的报告机制.你可以在overflow exception handler中知道这个加法（或者减法）发生了溢出,要用两个GPR表示这个结果；当然如果你不在意结果时,也可以什么都不做. 参考技术A 1、在A1填入数字 1
2、单击A1单元格
3、单击菜单“编辑”->“填充”->“序列”
4、在“序列”对话框选择：序列产生在“列”->类型“等比序列”->步长值“2”->终止值“256”，然后单击“确定”

此时你的序列生成了。
5、在A10输入公式=AVERAGE(A1:A9)
6、在A10右键->“设置单元格格式”->数字选项卡的“数值”->小数位数选择2
你要的结果出来了。

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RISC处理器设计------指令集的设计

定义指令字长为32位，并把寄存器堆扩展到32个通用32位寄存器。一套包含8个寄存器的寄存器堆，对于一个优化好的进程，足够安排所有的本地变量。采用寄存器窗技术可以提高系统的吞吐率。使CPI<1.一套32位寄存器阵列能够实现4个嵌套深度的进程。

1.指令格式的设计

指令可以分为四大类：

类别	说明
运算类	寄存器数据算术逻辑运算
访存类	主存储器访问（Load/Store）
跳转类	分支跳转（控制转移、条件与非条件）
特殊类	对诸如程序计数器PC等特殊寄存器操作的特殊指令

 指令格式可以分为两大类：访存和寻址指令，无访存操作指令

访存和寻址指令：

F1：寄存器寻址

Opcode

RC

RA

RB

                                                                                               31        24    19     14             5        0

F2:偏移量间接寻址

Opcode

RC

RA

Offset14

                                                                                               31        24     19    14                      0

F3：绝对寻址

Opc.

Address30

                                                                                               31     30                                      0

F4：PC间接偏移寻址

Opcode

CC

Offset19

                                                                                               31         24      19                          0

 

无访存操作的指令：

F5：寄存器操作

Opcode

DEST

SRCA

SRCB

                                                                                               31        24      19      14            5       0

F6：寄存器和立即数操作

Opcode

DEST

SRCA

Immedicate14

                                                                                               31       24       19     14                     0

F7：立即数操作

Opcode

DEST

Immediate19

                                                                                               31       24      19                             0

F8：特殊寄存器操作

Opcode

RC

SA

                                                                                              31        24   19   14                           0

F9：特殊寄存器操作

Opcode

SC

RB

                                                                                              31         24   19                         5     0

F10：可用于多种操作

Opcode

Imm4

                                                                                              31        24                              4      0

F11：可用于多种操作

Opcode

                                                                                              31         24                                    0

 

指令格式含义的说明：

名称	含义
Opcode	指令操作码
RA RB RC	通用寄存器地址，作为访存和特殊指令的源和目的操作数、存储器地址、或索引寄存器
Offset n	地址偏移量常数，条件跳转的目标地址，如n位
Address30	绝对地址
CC	条件跳转码
SRCA SRCB DEST	算术和逻辑运算的源和目的寄存器地址
Immediate n	算术和逻辑运算的立即数，也用在软件中断中，如n位
Imm n	Immediate n的缩写
SA  SC	特殊寄存器的地址

 

名称	说明
REG	寄存器阵列(通用寄存器)
rA，rC	寄存器REG[RA],REG[RB]
rB	寄存器REG[RB]或者是在最低两位Offset14再扩展00,01,10,11
cc	跳转条件码CC
srcA，dest	寄存器REG[SRCA]，REG[DEST]
srcB	寄存器REG[SRCB]或Immediate14
sA，sC	特殊寄存器SA和SC
MEM[n]	扩展寄存器的地址n
N，Z，C，V	状态标志位

 公共操作符表示寄存器或存储器之间的操作：

操作符	说明
A?expr	赋值
A?àB	交换
A>>B	将A右移B指定的位数
A<<B	将A左移B指定的位数
A>>>B	将A循环右移B指定的位数
{A,B}	拼接
A|B	按位逻辑“或”
A&B	按位逻辑“与”
A^B	按位逻辑“异或”
~A	按位求反
A + B	加
A - B	减

 

特殊寄存器的种类包括：程序计数器PC、返回地址RPC、旧PC值LPC、状态寄存器SR、向量基址寄存器VBR、硬件中断标志寄存器HWISR、异常标志寄存器EXCSR、软件中断标志寄存器SWISR、硬件中断返回程序计数器HWIRPC、异常返回程序计数器EXCRPC、软件中断返回程序计数器SWIRPC、硬件中断地址HWIADR、异常地址EXCADR。

 

访存类装载和存储指令：

这类指令除了从存储器中取出指令外，他们自身还要访问存储器，与存储器交换数据。一个处理器字是32位，还有2个字节的16位半字和8位字节。

按字访问的存储器地址通常受字长的限制，即地址的最低两位都是零。对于半字的读取，地址最低位是零。为了提高效率，可以对地址值仅保存不带最低两位的地址值，只在需要的时候进行扩展。

访存类指令用操作数rA、rB和rC作为地址操作数。当rA和rC表示的是寄存器RA和RC时，rB的值依赖操作数的种类。操作数可以是通用寄存器中的数值，也可以是14位常数再拓展00、01,、10、11所形成的16位数值。

存储器用4种不同的寻址方式。在索引寄存器相对寻址中(F1格式)，存储器的地址通过基址寄存器rA和索引寄存器rB求和得到。

偏移量间接寻址(F2格式)是寄存器rA和rB代表的偏移量求和得到地址的寻址方式。这种寻址方式可用于简单的矩阵数据读/写，堆栈操作和本地变量的管理。

STORE指令的rC寄存器保存操作数地址，用于将数据装载到存储器相应位置。由于处理器具有延迟装载的特性，目的寄存器在下一个周期才能完成新的数值的装载。

 

助记符	名称	格式	说明
LDU LDU.D LDU.B	装载无符号字 装载无符号半字 装载无符号字节	F1,2 F1,2 F1,2	rC?MEM[rA+rB]（字） rC?MEM[rA+rB]（半字） rC?MEM[rA+rB]（字节）
LDS LDS.D LDS.B	装载有符号字 装载有符号半字 装载有符号字节	F1,2 F1,2 F1,2	rC?MEM[rA+rB]（字） rC?MEM[rA+rB]（半字） rC?MEM[rA+rB]（字节）
ST ST.D ST.B	存储字 存储半字 存储字节	F1,2 F1,2 F1,2	MEM[rA+rB]?rC MEM[rA+rB]?rC（低16位半字） MEM[rA+rB]?rC（低8位字节）
SWP	交换字	F1,2	rC?MEM[rA+rB]

 

跳转类指令

跳转类指令(控制转移、分支跳转)通过改变程序计数器PC来改变程序流的执行顺序。紧跟着跳转类指令之后，有一条位于延迟槽中的延迟指令在程序流跳转之前执行，即使此时程序流不发生跳转，延迟指令也会进入流水线。

如果跳转指令不执行，同时延迟槽中是一条ANNUL指令，这条延迟指令才会被忽略。

绝对地址Address30(F3格式)专门供CALL指令使用。由于CALL指令的跳转目的指令只可能是32位字长的指令，所以绝对地址在最低位扩展00。

为了支持高级语言，设计PC-偏移量相对寻址的指令形式(F4格式)。BCC指令(条件跳转)包含了19位的常数偏移量，作为相对跳转地址。这个相对地址距离是用有符号数表示的，并在最低位扩展两个0。指令执行时，这个相对地址与PC中的地址值相加，这样覆盖了

范围的存储器地址空间。

子程序可以通过CALL指令调用，而子程序返回则通过综合的CTR指令RET来完成。

RISC处理器的一个特点是在CALL指令之后的返回地址是由用户负责保存的，这个返回地址是紧跟在延迟槽之后的地址。这个地址在CALL指令执行期间自动送入特殊寄存器RPC(Return -PC)，随后这个地址值只能通过特殊指令LRFS Rb,RPC 指令被保存到一个随机通用寄存器Rb中。子程序返回使用前面提到的RET Rb指令完成。

综合的跳转类指令JMP可以实现程序流向保存在寄存器中的地址处跳转。条件跳转类指令称为BCC指令，包括BGT、BLE等等。

非条件跳转包括CALL、JMP、RET、SEI、RET1和HALT指令。

          

助记符	名称	格式	如果cc，            则执行
BGT BLE BGE BLT BHI BLS	符号数大于时跳转 符号数小于等于时跳转 符号数大于等于时跳转 符号数小于时跳转 无符号数大于时跳转 无符号数小于等于时跳转	F4 F4 F4 F4 F4 F4	~((N^V)|Z)          PC?PC+{Offset19,00} (N^V)|Z             PC?PC+{Offset19,00} ~(N^V)|Z            PC?PC+{Offset19,00} (N^V)&~Z            PC?PC+{Offset19,00} ~(C|Z)              PC?PC+{Offset19,00} C|Z                 PC?PC+{Offset19,00}
BPL BMI BNE BEQ BVC BVS BCC BCS	正数时跳转 负数时跳转 不等时跳转 相等时跳转 无溢出时跳转 溢出时跳转 无进位时跳转 有进位时跳转	F4 F4 F4 F4 F4 F4 F4 F4	~N                  PC?PC+{Offset19,00} N                   PC?PC+{Offset19,00} ~Z                  PC?PC+{Offset19,00} Z                   PC?PC+{Offset19,00} ~V                  PC?PC+{Offset19,00} V                   PC?PC+{Offset19,00} ~C                  PC?PC+{Offset19,00} C                   PC?PC+{Offset19,00}
BT BF	为真时跳转 为假时跳转	F4 F4	true                PC?PC+{Offset19,00} false
XXX.A	带.A参数	F4	对于上面的指令，延迟指令都会执行；但当带有.A参数时，如果跳转未执行，则放弃延迟槽指令。
CALL JMP RET SWI RET1	调用 跳转 返回 软件中断 中断返回	F3 F9 F9 F10 F11	RPC?PC,PC?{Address30,00}执行延迟槽指令 PC?rB 执行延迟槽指令 PC?rB 执行延迟槽指令 PC?VBR|{1,Imm4,000}保存处理器状态 恢复保存处理器状态
HALT	中止	F11	中止并等待复位

 

 

运算类指令

运算类指令不需要存储器操作。这类指令用到3个操作数srcA，srcB和dest。srcA和dest分别代表寄存器地址SRCA和DEST，srcB根据opcode的定义，分别可以表示寄存器REG或者一个14位的常数立即数。

所以可以进行两个寄存器之间的运算(格式F5)，也可以进行立即数与寄存器之间的操作(格式F6)，最后还可以单独进行立即数操作(格式F7)。

处理器运算中的负数是用2的补码表示的。对于立即数，最高位将根据常数的符号位补齐32位。

逻辑运算对32位操作数是按位执行的。移位操作和循环移位执行时，数据移位的位数由寄存器SRCB中的值给出。

除了LDH指令，所有的运算类指令都可以使用带.F参数。如果指令带这个参数，运算结果的标志位将会保存进标志寄存器中，供后续的跳转指令使用。

 

标志位	名称	计算	带.F参数的运算类指令
N	负	dest[31]	所有指令
Z	零	~(|dest[31,0])	所有指令
C	进位	dest[32] ~dest[32] srcA[srcB-1] 0 未定义	ADD,ADDC,LSL SUB,SUBC LSR ,ASR ,ROT ,if srcB>0 LSR ,ASR ,ROT ,if srcB=0 其他指令
V	溢出	Carry[32]~Carry[31] 未定义	ADD，ADDC，SUB，SUBC 其他指令

 

助记符	名称	格式	说明
ADD ADDC SUB SUBC	加 带进位位加 减 带借位位减	F5,6 F5,6 F5,6 F5,6	dest ? srcA + srcB dest ? srcA + srcB + C dest ? srcA – srcB dest ? srcA – srcB – C
AND OR XOR	与 或 异或	F5,6 F5,6 F5,6	dest ? srcA & srcB dest ? srcA | srcB dest ? srcA ^ srcB
LSL LSR ASR ROT	逻辑左移 逻辑右移 算术右移 循环移位	F5,6 F5,6 F5,6 F5,6	dest ? srcA << srcB dest ? srcA >> srcB dest ? srcA >> srcB  最高位扩展符号位 dest ? srcA >>> srcB
XXX.F	.F参数		对于上面的所有指令，标志位根据目的寄存器的值设定标志位
LDH	高位装载	F7	dest?{Immediate19,0…0}目的寄存器最高位由Immediate19替换

 

特殊类指令

特殊类指令完成特殊寄存器与通用寄存器中数据的交换功能。对于特殊寄存器的读写权限根据内核/用户模式信号确定。

助记符	名称	格式	说明
LRFS SRIS CLC	从特殊寄存器进行装载 保存寄存器数据到特殊寄存器 清除Cache	F8 F9 F11	rC?sA rC通用寄存器，sA特殊寄存器 sC?rB sC特殊寄存器，rB通用寄存器 清除Cache

 在处理器模式KERNEL_MODE下，13个特殊寄存器均可读可写。在用户模式USER_MODE下，特殊寄存器PC、RPC以及LPC可以进行读和写，但是状态寄存器SR只能进行读操作，只有最后几位SR[3:0]可以进行写操作，对其他位的写操作无效。对禁止读/写的寄存器进行操作将会导致一个异常中断PRIVILEGE_VIOLATION。还有使用不带操作数的指令格式F11的控制指令CLC。

 

  综合指令

 

助记符	名称	实现
CLR NEG NOP NOT JMP RET	清除 求负数 无操作 按位求反 跳转 子程序返回	XOR Rd,R0,R0 SUB Rd,R0,Rd XOR R0,R0,R0 XOR Rd,Ra,-1 SRIS PC,Rb SRIS PC,Rb