CPU0 處理器

商用的處理器通常因為強調效能的原因，其設計都會讓指令格式變得難懂且複雜。

為了讓處理器變得更簡單，更容易理解，我們設計了 CPU0 處理器，這個處理計的設計原則是 KISS，也就是 Keep It Simple and Stupid。

CPU0 的設計不求速度，只求清楚易懂，因此在指令級與指令格式上都盡量簡單，編碼都以 4 位元為單位，因此也很容易可以用人腦將組合語言翻成機器碼。

以下是一個 CPU0 的組合語言範例，該程式所作的事情是計算 1+2+…+10 的結果，最後應該會得到總和為 55。

檔案：sum.as0

        LD     R1, sum      ; R1 = sum = 0
        LD     R2, i        ; R2 = i = 1
        LDI    R3, 10       ; R3 = 10
FOR:    CMP    R2, R3       ; if (R2 > R3)
        JGT    EXIT         ;   goto EXIT
        ADD    R1, R1, R2   ; R1 = R1 + R2 (sum = sum + i)
        ADDI   R2, R2, 1    ; R2 = R2 + 1  ( i  = i + 1)
        JMP    FOR          ; goto FOR
EXIT:   ST     R1, sum      ; sum = R1
        ST     R2, i        ; i = R2
        LD     R9, msgptr   ; R9= pointer(msg) = &msg
        SWI    3            ; SWI 3 : 印出 R9 (=&msg) 中的字串
        MOV    R9, R1       ; R9 = R1 = sum
        SWI    4            ; SWI 4 : 印出 R9 (=R1=sum) 中的整數
        RET                 ; return 返回上一層呼叫函數
i:      RESW   1            ; int i
sum:    WORD   0            ; int sum=0
msg:    BYTE   "1+...+10=", 0   ; char *msg = "sum="
msgptr: WORD   msg          ; char &msgptr = &msg

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)。

圖、CPU0 的架構圖

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。

圖、CPU0的指令格式

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。

圖、CPU0 中狀態暫存器 SW 的結構

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。

若 Ra > Rb，則 N=0, Z=0。
若 Ra < Rb，則 N=1, Z=0。
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：

LR=PC; INT=1
PC=INT_ADDR

軟體中斷 SWI Cx 發生時，會執行下列動作：

LR=PC; INT=1
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。

PC=LR; INT=0

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