程序与技术分享：CPU0处理器的架构及应用

CPU0 处理器的架构及应用

简介

CPU0 是一个 32 位的处理器，包含 R0..R15, IR, MAR, MDR 等缓存器，结构如下图所示。

图 1 ：CPU0 处理器的结构

其中各个缓存器的用途如下所示：

IR

指令缓存器

R0

常数缓存器, 值永远为 0。

R1~R11

通用型缓存器。

R12

状态缓存器 (Status Word : SW)

R13

堆栈指针缓存器 (Stack Pointer : SP)

R14

链接缓存器 (Link Register : LR)

R15

程序计数器 (Program Counter : PC)

MAR

地址缓存器 (Memory Address Register)

MDR

数据缓存器 (Memory Data Register)

CPU0 的指令集

CPU0 的指令分为三种类型，L 型通常为加载储存指令、A 型以算术指令为主、J 型则通常为跳跃指令，下图显示了这三种类型指令的编码格式。

图 2：CPU0 的三种指令格式

以下是 CPU0 处理器的指令表格式

表 1 ：CPU0 的指令表

在第二版的 CPU0_v2 中，补上了以下指令：

类型

格式

指令

OP

说明

语法

语意

浮点运算

A

FADD

41

浮点加法

FADD Ra, Rb, Rc

Ra = Rb + Rc

浮点运算

A

FSUB

42

浮点减法

FSUB Ra, Rb, Rc

Ra = Rb + Rc

浮点运算

A

FMUL

43

浮点乘法

FMUL Ra, Rb, Rc

Ra = Rb Rc

浮点运算

A

FADD

44

浮点除法

FDIV Ra, Rb, Rc

Ra = Rb / Rc

中断处理

J

IRET

2D

中断返回

IRET

PC = LR; INT 0

状态缓存器

CPU0 的状态缓存器，包含 N, Z, C, V 等状态，以及 I, T 等中断模式位。结构如下图所示。

图 3：CPU0 的状态缓存器

当 CMP Ra, Rb 指令执行时，状态标志会因而改变。

假如 Ra > Rb, 则会设定状态 N=0, Z=0

假如 Ra < Rb, 则会设定状态 N=1, Z=0

假如 Ra = Rb, 则会设定状态 N=0, Z=1

于是条件式跳跃的 JGT, JLT, JGE,

JLE, JEQ, JNE 等指令，就可以根据状态缓存器中的 N, Z 标志进行跳跃操作。

指令的执行步骤

CPU0在执行一个指令时，必须经过取指、译码与执行等三大阶段。

提取阶段

操作1、提取指令 ：IR = 【PC】

操作2、更新计数器 ：PC = PC + 4

解碼阶段

操作3、解碼 ：控制单元对IR进行译码后，设定数据流向开关与 ALU 的运算模式

运行时间

操作4、执行 ：数据流入 ALU，经过运算后，流回指定的缓存器

V-OS:

横跨操作系统与硬件的虚拟机系统

设计一个虚拟机系统，可以将 CPU A, B, C, D, E … 模拟成另外任何一种 CPU，这样是否能解决所有的跨平台问题呢？

QEMU 其实可以做到类似的操作，想法与 QEMU 不同点在于 QEMU 是在操作系统层次之上的，做法是在操作系统层次之下的。

这样子就可以将在任何一个 CPU 上，跑另一个操作系统的程序，但是，不知速度会比 QEMU 快还是慢呢？

这种做法姑且可以想象为「云端虚拟机」！

不知大家觉得可能吗？有用吗？

图一：V-OS 系统的架构图

CC1

编译程序

为了说明编译程序是如何设计出来的，在开放计算机计划中，设计了一个功能完备，简化过的 C 语言，这个语言称为 C1 语言，是

C0 语言的扩充版。

CC1 编译程序是一个 C1 语言的编译程序，具有完成的编译程序功能。在程序设计上，CC1 又被进一步拆解为 1. 词汇分析

2. 语法分析 3. 语意分析 4. 中间码产生 5. 汇编语言产生 等阶段，这所有的阶段，都会存取一个共同的数据结构，就是符号表。

因此，整个 CC1 编译程序，进一步分解为下列程序模块。

模块

核心对象

程序

词汇分析 (Lexical Analysis)

Scanner

Scanner.c, Scanner.h

语法分析 (Syntax Analysis)

Parser

Parser.c, Parser.h

语意分析 (Semantic Analysis)

Semantic

Semantic.c, Semantic.h

中间码产生 (Intermediate

Code)

PCode

PCode.c, PCode.h

汇编语言产生 (Code Generation)

Generator

Generator.c, Generator.h

符号表 (Symbol Table)

SymTable

SymTable.c, SymTable.h

Lua

Lua 的 BNF

chunk ::= {stat 【;′】} 【laststat 【;′】】

block ::= chunk

stat ::= varlist =′ explist | </p> <p> functioncall | </p> <p> do block end | </p> <p> while exp do block end | </p> <p> repeat block until exp | </p> <p> if exp then block {elseif exp then block} 【else block】 end | </p> <p> for Name=′ exp ,′ exp 【,′ exp】 do block end |

for namelist in explist do block end |

function funcname funcbody |

local function Name funcbody |

local namelist 【=′ explist】 </p> <p> laststat ::= return 【explist】 | break</p> <p> funcname ::= Name { .′ Name} 【:′ Name】</p> <p> varlist ::= var { ,′ var}

var ::= Name | prefixexp 【′ exp】′ | prefixexp .′ Name </p> <p> namelist ::= Name { ,′ Name}

explist ::= {exp ,′} exp</p> <p> exp ::= nil | false | true | Number | String |...′ | function |

prefixexp | tableconstructor | exp binop exp | unop exp

prefixexp ::= var | functioncall | (′ exp)′

functioncall ::= prefixexp args | prefixexp :′ Name args </p> <p> args ::=(′ 【explist】 )′ | tableconstructor | String </p> <p> function ::= function funcbody</p> <p> funcbody ::=(′ 【parlist】 )′ block end</p> <p> parlist ::= namelist 【,′ ...′】 |...′

//代码效果参考：http://www.jhylw.com.cn/215437939.html

tableconstructor ::= {′ 【fieldlist】}′

fieldlist ::= field {fieldsep field} 【fieldsep】

field ::= 【′ exp】′ =′ exp | Name=′ exp | exp

fieldsep ::= ,′ |;′

binop ::= +′ |-′ | `′ | /′ |^′ | %′ |..′ |

<′ |<=′ | >′ |

and | or

unop ::= -′ | not |#′

Lua 5.1 Reference Manual —

最后有 Lua 的 BNF。

Lua Interpreter in C —

Lua Compiler in Lua —

Lua Interpreter in Lua —

— The LuaJIT Project

CC1 编译程序的符号表

#ifndef SYMTABLE_H

#define SYMTABLE_H

#include "lib.h"

#include "HashTable.h"

#include "Tree.h"

//

型态 Type 有：函数、结构与指针与基本型态

//

基本 ： int x;

//

指标 : int px;

//

函数 : int total(int a【】) {...};

//

结构 : struct Person { ... };

typedef struct _Method {

char name;

char returnType;

Array params;

} Method;

typedef struct _Struct {

char name;

Array fields;

} Struct;

typedef union _Type {

Method pmethod;

Struct pstruct;

char pbtype;

} Type;

//

符号的值可能是 byte, int, float 或 pointer (包含 struct, method, type)

typedef union _Value {

BYTE bvalue;

int ivalue;

float fvalue;

void pvalue;

} Value;

//

变量符号： int x; Symbol(name=x, tag=VAR, type=int)

//

函数符号： int total(int a【】) {...}; Symbol(name=total, tag=METHOD, type=int)

//

结构符号： struct Person { ... }; Symbol(name=x, tag=ETYPE, type=int)

typedef struct _Symbol { //

符号记录

void scope; //

所属领域

char name; //

符号名称 (x, px, Person, total)

char tag; //

符号标记 (变量定义 VAR 函数定义 METHOD、结构定义 STRUCT)

Type type; //

符号的形态

Value value; //

符号的值

} Symbol;

typedef HashTable SymTable;

Symbol SymNew(void scope, char name, char tag);

void SymFree(Symbol s);

void TypeFree(Type type);

SymTable SymTableNew();

Symbol SymTablePut(SymTable table, Symbol sym);

Symbol SymTableGet(SymTable table, void scope, char name);

<code class="highlighter-hljs hljs language-cpp