開放電腦計畫 -- 系統程式
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陳鍾誠 於 金門大學

CPU0 指令集

CPU0 是一個簡易的 32 位元單匯流排處理器，其架構如下圖所示，包含R0..R15, IR, MAR, MDR 等暫存器，其中 IR是指令暫存器， R0 是一個永遠為常數 0 的唯讀暫存器，R15 是程式計數器 (Program Counter : PC)，R14 是連結暫存器 (Link Register : LR)， R13 是堆疊指標暫存器 (Stack Pointer : SP)，而 R12 是狀態暫存器 (Status Word : SW)。

CPU0 包含『載入儲存』、『運算指令』、『跳躍指令』、『堆疊指令』等四大類指令，以下表格是 CPU0 的指令編碼表，記載了 CPU0 的指令集與每個指令的編碼。

格式	指令	OP	說明	語法	語意
L	LD	00	載入word	LD Ra, [Rb+Cx]	Ra=[Rb+Cx]
L	ST	01	儲存word	ST Ra, [Rb+Cx]	Ra=[Rb+Cx]
L	LDB	02	載入 byte	LDB Ra, [Rb+Cx]	Ra=(byte)[Rb+Cx]
L	STB	03	儲存 byte	STB Ra, [Rb+Cx]	Ra=(byte)[Rb+Cx]
A	LDR	04	LD的暫存器版	LDR Ra, [Rb+Rc]	Ra=[Rb+Rc]
A	STR	05	ST的暫存器版	STR Ra, [Rb+Rc]	Ra=[Rb+Rc]
A	LBR	06	LDB的暫存器版	LBR Ra, [Rb+Rc]	Ra=(byte)[Rb+Rc]
A	SBR	07	STB的暫存器版	SBR Ra, [Rb+Rc]	Ra=(byte)[Rb+Rc]
L	LDI	08	載入常數	LDI Ra, Cx	Ra=Cx
A	CMP	10	比較	CMP Ra, Rb	SW=Ra >=< Rb
A	MOV	12	移動	MOV Ra, Rb	Ra=Rb
A	ADD	13	加法	ADD Ra, Rb, Rc	Ra=Rb+Rc
A	SUB	14	減法	SUB Ra, Rb, Rc	Ra=Rb-Rc
A	MUL	15	乘法	MUL Ra, Rb, Rc	Ra=Rb*Rc
A	DIV	16	除法	DIV Ra, Rb, Rc	Ra=Rb/Rc
A	AND	18	邏輯 AND	AND Ra, Rb, Rc	Ra=Rb and Rc
A	OR	19	邏輯 OR	OR Ra, Rb, Rc	Ra=Rb or Rc
A	XOR	1A	邏輯 XOR	XOR Ra, Rb, Rc	Ra=Rb xor Rc
A	ADDI	1B	常數加法	ADDI Ra, Rb, Cx	Ra=Rb + Cx
A	ROL	1C	向左旋轉	ROL Ra, Rb, Cx	Ra=Rb rol Cx
A	ROR	1D	向右旋轉	ROR Ra, Rb, Cx	Ra=Rb ror Cx
A	SHL	1E	向左移位	SHL Ra, Rb, Cx	Ra=Rb << Cx
A	SHR	1F	向右移位	SHR Ra, Rb, Cx	Ra=Rb >> Cx
J	JEQ	20	跳躍 (相等)	JEQ Cx	if SW(=) PC=PC+Cx
J	JNE	21	跳躍 (不相等)	JNE Cx	if SW(!=) PC=PC+Cx
J	JLT	22	跳躍 (<)	JLT Cx	if SW(<) PC=PC+Cx
J	JGT	23	跳躍 (>)	JGT Cx	if SW(>) PC=PC+Cx
J	JLE	24	跳躍 (<=)	JLE Cx	if SW(<=) PC=PC+Cx
J	JGE	25	跳躍 (>=)	JGE Cx	if SW(>=) PC=PC+Cx
J	JMP	26	跳躍 (無條件)	JMP Cx	PC=PC+Cx
J	SWI	2A	軟體中斷	SWI Cx	LR=PC; PC=Cx; INT=1
J	CALL	2B	跳到副程式	CALL Cx	LR=PC; PC=PC+Cx
J	RET	2C	返回	RET	PC=LR
J	IRET	2D	中斷返回	IRET	PC=LR; INT=0
A	PUSH	30	推入word	PUSH Ra	SP-=4; [SP]=Ra;
A	POP	31	彈出 word	POP Ra	Ra=[SP]; SP+=4;
A	PUSHB	32	推入 byte	PUSHB Ra	SP--; [SP]=Ra; (byte)
A	POPB	33	彈出 byte	POPB Ra	Ra=[SP]; SP++; (byte)

CPU0 指令格式

CPU0 所有指令長度均為 32 位元，這些指令也可根據編碼方式分成三種不同的格式，分別是 A 型、J 型與 L 型。

大部分的運算指令屬於A (Arithmatic) 型，而載入儲存指令通常屬於 L (Load & Store) 型，跳躍指令則通常屬於 J (Jump) 型， 這三種型態的指令格式如下圖所示。

狀態暫存器

R12 狀態暫存器 (Status Word : SW) 是用來儲存 CPU 的狀態值，這些狀態是許多旗標的組合。例如，零旗標 (Zero，簡寫為Z) 代表比較的結果為 0，負旗標 (Negative ，簡寫為N) 代表比較的結果為負值，另外常見的旗標還有進位旗標 (Carry ，簡寫為 C)， 溢位旗標 (Overflow，簡寫為 V) 等等。下圖顯示了 CPU0 的狀態暫存器格式，最前面的四個位元 N、Z、C、V所代表的， 正是上述的幾個旗標值。

條件旗標的 N、Z 旗標值可以用來代表比較結果是大於 (>)、等於 (=) 還是小於 (<)，當執行 CMP Ra, Rb 動作後，會有下列三種可能的情形。

1. 若 Ra > Rb，則 N=0, Z=0。
2. 若 Ra < Rb，則 N=1, Z=0。
3. 若 Ra = Rb，則 N=0, Z=1。

如此，用來進行條件跳躍的 JGT、JGE、JLT、JLE、JEQ、JNE指令，就可以根據 SW 暫存器當中的 N、Z 等旗標決定是否進行跳躍。

SW 中還包含中斷控制旗標 I (Interrupt) 與 T (Trap)，用以控制中斷的啟動與禁止等行為，假如將 I 旗標設定為 0，則CPU0將禁止所有種類的中斷，也就是對任何中斷都不會起反應。但如果只是將 T 旗標設定為0，則只會禁止軟體 中斷指令 SWI (Software Interrupt)，不會禁止由硬體觸發的中斷。

SW 中還儲存有『處理器模式』的欄位，M=0 時為『使用者模式』 (user mode) 與 M=1 時為『特權模式』(super mode) 等， 這在作業系統的設計上經常被用來製作安全保護功能。在使用者模式當中，任何設定狀態暫存器 R12 的動作都會被視為是非法的， 這是為了進行保護功能的緣故。但是在特權模式中，允許進行任何動作，包含設定中斷旗標與處理器模式等位元， 通常作業系統會使用特權模式 (M=1)，而一般程式只能處於使用者模式 (M=0)。

位元組順序

CPU0 採用大者優先 (Big Endian) 的位元組順序 (Byte Ordering)，因此代表值越大的位元組會在記憶體的前面 (低位址處)，代表值小者會在高位址處。

由於 CPU0 是 32 位元的電腦，因此，一個字組 (Word) 占用 4 個位元組 (Byte)，因此，像 LD R1, [100] 這樣的指令，其實是將記憶體 100-103 中的字組取出，存入到暫存器 R1 當中。

LDB 與 STB 等指令，其中的 B 是指 Byte，因此，LDB R1, [100] 會將記憶體 100 中的 byte 取出，載入到 R1 當中。但是，由於 R1 的大小是 32 bits，相當於 4個 byte，此時，LDB 與 STB 指令到底是存取四個 byte 當中的哪一個byte呢？這個問題的答案是byte 3，也就是最後的一個 byte。

中斷程序

CPU0 的中斷為不可重入式中斷，其中斷分為軟體中斷 SWI (Trap) 與硬體中斷 HWI (Interrupt) 兩類。

硬體中斷發生時，中段代號 INT_ADDR 會從中段線路傳入，此時執行下列動作：

1. LR=PC; INT=1
2. PC=INT_ADDR

軟體中斷 SWI Cx 發生時，會執行下列動作：

1. LR=PC; INT=1
2. PC=Cx;

中斷最後可以使用 IRET 返回，返回前會設定允許中斷狀態。

1. PC=LR; INT=0

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