自己动手写CPU之第九阶段（1）——加载存储指令说明1

将陆续上传新书《自己动手写CPU》，今天是第37篇，我尽量每周四篇

开展晒书评送书活动，在亚马逊、京东、当当三大图书网站上，发表《自己动手写CPU》书评的前十名读者，均可获赠《步步惊芯——软核处理器内部设计分析》一书，大家踊跃参与吧！活动时间：2014-9-11至2014-10-20

本章将实现MIPS32指令集架构中定义的加载存储指令，分两步：首先实现除ll、sc指令外的一般加载存储指令，其次实现比较特殊的加载存储指令ll、sc。

读者可以将本章内容分为五个部分理解阅读：（1）9.1至9.3节介绍了一般加载存储指令的实现；（2）为了验证加载存储指令是否实现正确，在9.4节修改了我们之前一直用来做测试的SOPC，为其添加了数据RAM；（3）9.5节给出了针对一般加载存储指令的测试程序，通过ModelSim仿真验证指令是否实现正确；（4）9.6至9.9节介绍了特殊加载存储指令ll、sc的实现；（3）9.10至9.12节探讨了由于加载指令引起的load相关问题，给出了OpenMIPS的解决方法，最后验证了解决效果。

9.1 加载存储指令说明

MIPS32指令集架构中定义的加载存储指令共有14条，如下。

8条加载指令：lb、lbu、lh、lhu、ll、lw、lwl、lwr
6条存储指令：sb、sc、sh、sw、swl、swr

对ll、sc指令的说明将放在9.6节，本节介绍其余的12条指令，在本书中也称为一般加载存储指令。其中，由于lwl、lwr、swl、swl这4条指令的作用不太容易理解，所以在9.1.4、9.1.5节专题介绍。

9.1.1 加载指令lb、lbu、lh、lhu、lw说明

加载指令lb、lbu、lh、lhu、lw的格式如图9-1所示。



从图9-1可知，这5条加载指令可以根据指令中26-31bit的指令码加以区分，另外，加载指令的0-15bit是offset、21-15bit是base，加载地址的计算方法如下，先将16位的offset符号扩展至32位，然后与地址为base的通用寄存器的值相加，即可得到加载地址。

加载地址 = signed_extended(offset) + GPR[base]
下面分别介绍各个加载指令的作用。

当指令中的指令码为6'b100000时，是lb指令，字节加载指令

指令用法为：lb rt, offset(base)

指令作用为：从内存中指定的加载地址处，读取一个字节，然后符号扩展至32位，保存到地址为rt的通用寄存器中。

当指令中的指令码为6'b100100时，是lbu指令，无符号字节加载指令

指令用法为：lbu rt, offset(base)

指令作用为：从内存中指定的加载地址处，读取一个字节，然后无符号扩展至32位，保存到地址为rt的通用寄存器中。

当指令中的指令码为6'b100001时，是lh指令，半字加载指令

指令用法为：lh rt, offset(base)

指令作用为：从内存中指定的加载地址处，读取一个半字，然后符号扩展至32位，保存到地址为rt的通用寄存器中。该指令有地址对齐要求，要求加载地址的最低位为0。

当指令中的指令码为6'b100101时，是lhu指令，无符号半字加载指令

指令用法为：lhu rt, offset(base)

指令作用为：从内存中指定的加载地址处，读取一个半字，然后无符号扩展至32位，保存到地址为rt的通用寄存器中。该指令有地址对齐要求，要求加载地址的最低位为0。

当指令中的指令码为6'b100011时，是lw指令，字加载指令

指令用法为：lw rt, offset(base)

指令作用为：从内存中指定的加载地址处，读取一个字，保存到地址为rt的通用寄存器中。该指令有地址对齐要求，要求加载地址的最低两位为00。

9.1.2 存储指令sb、sh、sw说明

存储指令sb、sh、sw的格式如图9-2所示。



从图9-2可知，这3条存储指令可以根据指令中26-31bit的指令码加以区分，另外，存储指令的0-15bit是offset、21-15bit是base，存储地址的计算方法如下，先将16位的offset符号扩展至32位，然后与地址为base的通用寄存器的值相加，即可得到存储地址。

存储地址 = signed_extended(offset) + GPR[base]
下面分别介绍各个存储指令的作用。

当指令中的指令码为6'b101000时，是sb指令，字节存储指令

指令用法为：sb rt, offset(base)

指令作用为：将地址为rt的通用寄存器的最低字节存储到内存中的指定地址。

当指令中的指令码为6'b101001时，是sh指令，半字存储指令

指令用法为：sh rt, offset(base)

指令作用为：将地址为rt的通用寄存器的最低两个字节存储到内存中的指定地址。该指令有地址对齐要求，要求计算出来的存储地址的最低位为0。

当指令中的指令码为6'b101011时，是sw指令，字存储指令

指令用法为：sw rt, offset(base)

指令作用为：将地址为rt的通用寄存器的值存储到内存中的指定地址。该指令有地址对齐要求，要求计算出来的存储地址的最低两位为00。

9.1.3 加载存储指令用法示例

OpenMIPS处理器是按照字节寻址，并且是大端模式，在这种模式下，数据的高位保存在存储器的低地址中，而数据的低位保存在存储器的高地址中。比如：使用指令sb在0x50处存储0x81，存储器中实际存储效果如图9-3所示。



使用指令sh在0x54处存储0x8281，存储器中实际存储效果如图9-4所示。



使用指令sw在0x58处存储0x84838281，存储器中实际存储效果如图9-5所示。



此时使用加载指令会有如下效果。

（1）使用指令lbu从0x58处加载一个字节，读出的字节就是0x84，经无符号扩展至32位是0x00000084。

（2）使用指令lb从0x58处加载一个字节，读出的字节就是0x84，经符号扩展至32位是0xffffff84。

（3）使用指令lhu从0x58处加载一个半字，读出的半字就是0x8483，经无符号扩展至32位是0x00008483。

（4）使用指令lh从0x58处加载一个半字，读出的半字就是0x8483，经符号扩展至32位是0xffff8483。

（5）使用指令lh从0x59处加载一个半字，不满足地址对齐要求，会出现异常。

（6）使用指令lhu从0x5a处加载一个半字，读出的半字就是0x8281，经无符号扩展至32位是0x00008281。

（7）使用指令lh从0x5a处加载一个半字，读出的半字就是0x8281，经符号扩展至32位是0xffff8281。

（8）使用指令lw从0x58处加载一个字，读出的字就是0x84838281。

还有四条加载存储指令lwl、lwr、swl、swl，由于这4条指令的作用不太容易理解，将在下一次专题介绍。