4位HRRG計(jì)算機(jī)構(gòu)建項(xiàng)目的指令集分析

CPU內(nèi)部的寄存器，機(jī)器代碼指令集以及指令與寄存器和狀態(tài)標(biāo)志的交互方式都是相互交織的。

您可能還記得，我的背景愛(ài)好項(xiàng)目之一是構(gòu)建4位HRRG計(jì)算機(jī)。在整個(gè)時(shí)間范圍內(nèi)，這將實(shí)現(xiàn)為壁掛式玻璃前木柜的集合，每個(gè)木柜都包含計(jì)算機(jī)的一部分。每個(gè)機(jī)柜的功能將通過(guò)不同的實(shí)施技術(shù)實(shí)現(xiàn)，包括繼電器，真空管，晶體管和軟糖集成電路，以及磁，機(jī)械和氣動(dòng)/液壓產(chǎn)品。

我在這個(gè)項(xiàng)目上的“犯罪伙伴”是我的好友EEWeb專家Joe Farr。Joe致力于創(chuàng)建將在PC上運(yùn)行的計(jì)算機(jī)的虛擬表示形式。我們希望能夠在不久的將來(lái)使此HRRG仿真器可供任何人使用。同時(shí)，我目前正在討論“野獸”的物理實(shí)現(xiàn)。

實(shí)話實(shí)說(shuō)，這個(gè)項(xiàng)目已經(jīng)擱置了相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。實(shí)際上，直到我的好友James“ Chewy” Vorman才在2018年底向我發(fā)送電子郵件，說(shuō)他正計(jì)劃建造4位計(jì)算機(jī)，并詢問(wèn)我是否對(duì)喬和我當(dāng)時(shí)的指令集有任何想法。促使他們采取行動(dòng)。

在今年年初，我在“初次通過(guò)指令集”上發(fā)布了一篇專欄文章，這幾乎是喬和我在時(shí)間的迷霧中留下的東西的地方。從那時(shí)起，我們一直在反復(fù)地反復(fù)提出想法。除此之外，Joe啟動(dòng)并運(yùn)行了仿真器后，他很快就厭倦了用機(jī)器代碼編寫(xiě)和輸入測(cè)試程序，這促使他創(chuàng)建了一個(gè)笨拙的HRRG終端和HRRG匯編器。

運(yùn)行HRRG匯編程序的HRRG終端。（來(lái)源：?jiǎn)獭し枺?/p>

當(dāng)然，這不是真正的Sperry Univac Uniscope 200，它只是Joe決定將其朋友好友收藏中的一個(gè)圖像用作HRRG終端的背景，該終端（在此屏幕快照中）正在運(yùn)行HRRG匯編程序。當(dāng)我問(wèn)喬為什么選擇這種設(shè)備時(shí)，他回答說(shuō)有兩個(gè)原因。首先是右側(cè)的面板為他提供了足夠的空間來(lái)添加7段LED，常規(guī)LED，開(kāi)關(guān)，磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器和紙帶打孔器的圖像（老實(shí)說(shuō)，我什至沒(méi)有意識(shí)到這些不是物理設(shè)備的一部分）；第二個(gè)原因是他太懶了，無(wú)法在自己的車(chē)間里搜尋成堆的設(shè)備來(lái)追蹤他的舊DEC VT100終端。

關(guān)鍵是，在創(chuàng)建諸如井字游戲（Tic-Tac-Toe）之類的程序時(shí)（如上面的屏幕截圖所示），喬發(fā)現(xiàn)我們的指令集提供了比我們完全掌握的功能更多的功能（這就是我們的優(yōu)勢(shì)）。他還發(fā)現(xiàn)了一些需要“調(diào)整”以使情況變得更好的事情，例如當(dāng)將INC和DEC指令應(yīng)用于IX（索引）寄存器之類的12位寄存器時(shí)，它們會(huì)修改N狀態(tài)標(biāo)志。

因此，為了使您了解最新信息，以下內(nèi)容將介紹HRRG的CPU寄存器和指令集的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)。

CPU寄存器

請(qǐng)記住，HRRG具有4位數(shù)據(jù)總線和12位地址總線。另外，我們使用術(shù)語(yǔ)nybble（或半字節(jié)）來(lái)指代4位值；同樣，我們使用“ $”字符表示十六進(jìn)制值（例如，$ A），使用“％”字符表示二進(jìn)制值（例如，％1010）。

為了使程序保持“均值”，我們決定將用戶可訪問(wèn)的寄存器限制為1個(gè)半字節(jié)標(biāo)識(shí)符，這意味著我們將自己限制為僅16個(gè)寄存器，如下所示：

CPU寄存器（來(lái)源：Max Maxfield）

一些早期的8位CPU具有一個(gè)稱為累加器（ACC）的特殊寄存器，該寄存器從內(nèi)存中加載值，并存儲(chǔ)邏輯和算術(shù)運(yùn)算的任何結(jié)果。其他CPU有兩個(gè)累加器ACCA和ACCCB，而其他CPU選擇了一堆通用寄存器。在我們的案例中，我們決定有六個(gè)通用4位寄存器R0至R5。我們還有兩個(gè)狀態(tài)寄存器S0和S1。

除了物理尋址邏輯寄存器PC，SP，IX，IV和TA外，我們還有三個(gè)虛擬寄存器CV，MD和MX。我們將看到這些虛擬寄存器如何在整個(gè)時(shí)間范圍內(nèi)發(fā)揮其魔力?？梢哉f(shuō)我還沒(méi)有在其他任何地方見(jiàn)過(guò)像我們的虛擬寄存器概念這樣的東西。

狀態(tài)寄存器

如前所述，HRRG具有兩個(gè)狀態(tài)寄存器S0和S1。這些寄存器的內(nèi)容如下所示。

狀態(tài)寄存器（來(lái)源：Max Maxfield）

大多數(shù)微處理器具有多個(gè)跳轉(zhuǎn)指令，例如JMP（無(wú)條件跳轉(zhuǎn)），JPN（如果為負(fù)則跳轉(zhuǎn)），JPNN（如果不是負(fù)則跳轉(zhuǎn)），JPZ（如果為零則跳轉(zhuǎn)），JPNZ（如果不為零則跳轉(zhuǎn)）等等。但是，通常只有一條JSR（跳轉(zhuǎn)到子例程）指令。

對(duì)于HRRG，我們只有一對(duì)JMP（跳轉(zhuǎn)）和JSR（跳轉(zhuǎn)到子例程）指令。但是，正如我們將看到的，這些指令的一個(gè)很酷的事情是它們的跳轉(zhuǎn)/不跳轉(zhuǎn)動(dòng)作可以由兩個(gè)狀態(tài)寄存器中任何位的0/1值控制（在這種情況下， JMP和JSR指令將兩個(gè)4位狀態(tài)寄存器視為單個(gè)8位寄存器）。

N，Z，C和O標(biāo)志以通常的方式運(yùn)行（對(duì)于初學(xué)者，我們將在以后的專欄中更詳細(xì)地討論這些標(biāo)志的操作）。

I（中斷屏蔽）標(biāo)志的狀態(tài)決定了CPU是否將看到并響應(yīng)外部中斷：此標(biāo)志中的0表示CPU將不響應(yīng)；否則標(biāo)志將變?yōu)?。該標(biāo)志中的1表示CPU將響應(yīng)。該標(biāo)志加電時(shí)包含0，由用戶（即用戶的程序）將其設(shè)置為1。如果CPU復(fù)位，則該標(biāo)志將被清除為0。

H（停止）標(biāo)志指示CPU是運(yùn)行還是停止：該標(biāo)志中的0表示CPU將運(yùn)行；否則，CPU停止運(yùn)行。該標(biāo)志中的1表示CPU將停止操作。該標(biāo)志加電包含0。由用戶決定是否在程序控制下將其設(shè)置為1。使暫停標(biāo)志返回0的唯一方法是復(fù)位CPU或外部中斷喚醒CPU（假定中斷屏蔽標(biāo)志設(shè)置為1）。

關(guān)于狀態(tài)寄存器S1的位2和3（組合的8位寄存器的位6和7）中的硬連接0和1值，如果選擇了1，則JMP和JSR指令將使用這些值來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)條件跳轉(zhuǎn)，如果選擇了0，則為無(wú)條件跳轉(zhuǎn)（用于調(diào)試目的）。

指令集

這是開(kāi)始變得有趣的地方，因?yàn)檫@是我們決定要支持的低級(jí)指令以及這些指令將如何與CPU寄存器和狀態(tài)標(biāo)志交互的地方。

指令集。（來(lái)源：馬克斯·麥克菲爾德（Max Maxfield）

我知道，我知道，當(dāng)您第一次看到它時(shí)，這確實(shí)有些令人生畏，但這主要是因?yàn)槲覀冋噲D將大量信息塞入一個(gè)很小的空間中。

假設(shè)我們要減少通用寄存器R3的4位內(nèi)容。在這種情況下，我們的指令將包含兩個(gè)半字節(jié)：$ 1 $ 3，我們可以將其寫(xiě)為$ 13，其中$ 1是DEC（減量）指令的操作碼，而$ 3是指定寄存器R3的（目標(biāo)）操作數(shù)。

現(xiàn)在假設(shè)我們要增加12位地址為$ 123的存儲(chǔ)單元的4位內(nèi)容。在這種情況下，生成的機(jī)器代碼將是$ 0 $ E $ 1 $ 2 $ 3，我們可以將其寫(xiě)為$ 0E123，其中$ 0是INC（增量）指令的操作碼，$ E是（目標(biāo)操作數(shù)）指定虛擬寄存器MD（內(nèi)存直接），$ 123是（附加目標(biāo)操作數(shù)），格式為12位目標(biāo)地址。

作為當(dāng)前的最后一個(gè)示例，讓我們假設(shè)我們想將％1010的值（十六進(jìn)制的$ A）移動(dòng)（復(fù)制）到內(nèi)存位置$ 324中。在這種情況下，生成的機(jī)器代碼將為$ F $ D $ E $ A $ 3 $ 2 $ 4，我們可以將其寫(xiě)為$ FDEA321，其中$ F是MOV（移動(dòng)）指令的操作碼，$ D是（源）操作數(shù)，指定虛擬寄存器CV（常數(shù)），$ E是（目標(biāo)操作數(shù)），指定虛擬寄存器MD（內(nèi)存直接），$ A（二進(jìn)制的％1010）是（附加源操作數(shù)）的形式為4位常量值，$ 324是（附加目標(biāo)操作數(shù)）的形式為12位目標(biāo)地址。

我們將在接下來(lái)的兩列中回顧這些機(jī)器代碼指令和等效的匯編語(yǔ)言（相信我，當(dāng)我們開(kāi)始考慮匯編語(yǔ)言時(shí)，情況會(huì)變得更加清晰）。目前，請(qǐng)仔細(xì)閱讀并仔細(xì)考慮以下注意事項(xiàng)（其編號(hào)與上表中的編號(hào)匹配），其中對(duì)這些內(nèi)容進(jìn)行了非常詳細(xì)的總結(jié)。

＃1如果源是CPU的4位或12位物理寄存器之一，則不會(huì)有（附加操作數(shù)）。

＃2如果源是存儲(chǔ)位置（使用MD或MX虛擬寄存器指示），則將是一個(gè)3位地址。

＃3如果源是一個(gè)常量值（如CV虛擬寄存器所示），則如果目標(biāo)是4位寄存器或存儲(chǔ)位置，則將是1個(gè)半字節(jié)值；如果目標(biāo)是4位寄存器或存儲(chǔ)位置，則將是1個(gè)半字節(jié)值。否則，如果目標(biāo)是12位寄存器，它將是3個(gè)字節(jié)的值。

＃4如果目標(biāo)是CPU的4位或12位物理寄存器之一，則不會(huì)有（附加操作數(shù)）。

＃5如果目標(biāo)是內(nèi)存位置（如使用MD或MX虛擬寄存器指示的），則將是一個(gè)3位的地址。

＃6如果源是4位寄存器，則目標(biāo)通常是4位寄存器或存儲(chǔ)器位置；否則，目標(biāo)將是4位寄存器或存儲(chǔ)位置。如果源是4位寄存器，而目標(biāo)是12位寄存器（PC，SP，IX，IV，TA）之一，則4位寄存器的內(nèi)容將被移入（復(fù)制）到最小-目標(biāo)寄存器的顯著半字節(jié)（LSN）；如果源是12位寄存器之一（PC，SP，IX，IV，TA），則目標(biāo)通常是12位寄存器或存儲(chǔ)器位置（請(qǐng)參閱注釋7）；如果源是12位寄存器，而目標(biāo)是4位寄存器，則12位寄存器的LSN的內(nèi)容將被復(fù)制到4位寄存器中。

＃7如果將12位寄存器的內(nèi)容復(fù)制到內(nèi)存中，則目標(biāo)操作數(shù)將是3個(gè)半字節(jié)字段的最低有效地址。如果將存儲(chǔ)器的內(nèi)容復(fù)制到12位寄存器中，則源操作數(shù)將是3個(gè)半字節(jié)字段的最低有效地址。

＃8如果源是4位寄存器或存儲(chǔ)器位置，則將1個(gè)半字節(jié)值壓入堆棧，并且SP = SP +1；如果源是12位寄存器，則將3個(gè)半字節(jié)值壓入堆棧，并且SP = SP + 3;按下PUSH之后，堆棧指針將遞增。

＃9如果源是一個(gè)常數(shù)值，則源操作數(shù)將是1個(gè)半字節(jié)值，該值將被壓入堆棧，并且SP = SP + 1（在PUSH之后堆棧指針將遞增）。

＃10如果目標(biāo)是4位寄存器或內(nèi)存位置，則SP = SP – 1且將向堆棧彈出一個(gè)1字節(jié)的值（即，堆棧指針將在POP之前遞減）。如果目標(biāo)是一個(gè)12位寄存器，則將從堆棧中彈出一個(gè)3位值（以SP = SP – 3結(jié)尾）。

＃11沒(méi)有RTS（“從子程序返回”）或RTI（“從中斷返回”）指令–通過(guò)使用POP指令從堆棧中檢索返回地址并將其加載到PC中，可以達(dá)到相同的效果。

＃12 JMP和JSR指令后跟控制小節(jié)，然后是3小節(jié)目標(biāo)地址?？刂瓢胱止?jié)用于執(zhí)行無(wú)條件跳轉(zhuǎn)或有條件跳轉(zhuǎn)?？刂瓢胱止?jié)的最低有效三位指向由S1和S0組成的8位狀態(tài)寄存器中的要測(cè)試的位；范圍是000到111（0到7）。假設(shè)控制半字節(jié)的最高有效位為0，則所選狀態(tài)位的值為1會(huì)導(dǎo)致跳轉(zhuǎn)；否則，該值將變?yōu)?。例如，JMP％0001 <目標(biāo)地址>等效于“如果為零則跳轉(zhuǎn)”。相比之下，控制半字節(jié)最高有效位中的1將反轉(zhuǎn)跳轉(zhuǎn)的操作。例如，JMP％1001 <目標(biāo)地址>等同于“如果不為零則跳轉(zhuǎn)”。請(qǐng)注意，狀態(tài)位7 [S1中的位3]是硬連線的1，

指令和狀態(tài)寄存器

最后（并非暫時(shí)），下表總結(jié)了執(zhí)行各種指令影響狀態(tài)寄存器中標(biāo)志的方式。

指令和狀態(tài)位（來(lái)源：Max Maxfield）

您可以想象，設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)是一個(gè)反復(fù)的過(guò)程，事實(shí)證明，擁有Joe的仿真器是無(wú)價(jià)的。例如，只有當(dāng)Joe開(kāi)始編寫(xiě)一個(gè)播放井字游戲的程序時(shí)，我們才意識(shí)到，使用12-像IX（索引寄存器）這樣的位寄存器，因此我們將其添加到規(guī)范中（在物理實(shí)現(xiàn)中僅包含一件事。

以下注釋更詳細(xì)地說(shuō)明了上表的內(nèi)容：

＃1將目標(biāo)值的最高有效位（MSB）復(fù)制到C標(biāo)志中；同時(shí)，將C標(biāo)志的原始內(nèi)容復(fù)制到目標(biāo)值的最低有效位（LSB）。

＃2將目標(biāo)值的最低有效位（LSB）復(fù)制到C（進(jìn)位）標(biāo)志；同時(shí)，將C標(biāo)志的原始內(nèi)容復(fù)制到目標(biāo)值的最高有效位（MSB）。

＃3如果比較的值相等，則Z標(biāo)志設(shè)置為1，否則將其清除為0。

＃4被比較的值被認(rèn)為是無(wú)符號(hào)整數(shù)。如果中的值大于中的值，則將C標(biāo)志設(shè)置為1；否則，將C標(biāo)志設(shè)置為1。否則清除為0。

＃5如果目標(biāo)是狀態(tài)寄存器S1，則將從堆棧中加載其標(biāo)志，并且不會(huì)影響S0的內(nèi)容；如果目標(biāo)是S0，那么將從堆棧中加載其標(biāo)志；如果目標(biāo)是其他任何4位位置（寄存器或內(nèi)存），則N和Z標(biāo)志將照常運(yùn)行。

＃6這些標(biāo)志對(duì)于4位目標(biāo)照常工作，但有一個(gè)例外-如果目標(biāo)是狀態(tài)寄存器S0或S1之一，則S0中的標(biāo)志將不會(huì)自動(dòng)更新；否則，這些標(biāo)志將自動(dòng)更新。如果源是12位寄存器，而目標(biāo)是4位寄存器，則Z和N標(biāo)志將基于12位寄存器的最低有效字節(jié)的內(nèi)容（即，復(fù)制）；如果源是12位寄存器，而目標(biāo)是存儲(chǔ)器，則將基于整個(gè)12位寄存器的內(nèi)容設(shè)置Z標(biāo)志，并且將基于N位的最高有效字節(jié)的內(nèi)容設(shè)置N標(biāo)志。 12位寄存器。

＃7將根據(jù)整個(gè)12位寄存器的內(nèi)容設(shè)置Z標(biāo)志，并根據(jù)12位寄存器的最高有效半字節(jié)的內(nèi)容設(shè)置N標(biāo)志。

編輯：hfy