自己动手写CPU之第五阶段（3）——MIPS指令集中的逻辑、移位与空指令
将陆续上传本人写的新书《自己动手写CPU》（尚未出版），今天是第17篇，我尽量每周四篇
5.4 逻辑、移位操作与空指令说明
MIPS32指令集架构中定义的逻辑操作指令有8条：and、andi、or、ori、xor、xori、nor、lui，其中ori指令已经实现了，本章要实现其余7条指令。
MIPS32指令集架构中定义的移位操作指令有6条：sll、sllv、sra、srav、srl、srlv。
MIPS32指令集架构中定义的空指令有2条：nop、ssnop。其中ssnop是一种特殊类型的空操作，在每个周期发射多条指令的CPU中，使用ssnop指令可以确保单独占用一个发射周期。OpenMIPS设计为标量处理器，也就是每个周期发射一条指令，所以ssnop的作用与nop相同，可以按照nop指令的处理方式来处理ssnop指令。
另外，MIPS32指令集架构中还定义了sync、pref这2条指令，其中sync指令用于保证加载、存储操作的顺序，对于OpenMIPS而言，是严格按照指令顺序执行的，加载、存储操作也是按照顺序进行的，所以可以将sync指令当作nop指令处理，在这里将其归纳为空指令。pref指令用于缓存预取，OpenMIPS没有实现缓存，所以也可以将pref指令当作nop指令处理，此处也将其归纳为空指令。
以上17条指令按照格式、作用的不用，又可分为几类，分别说明如下。
1、and、or、xor、nor
这4条指令的格式如图5-10所示。从图中可以发现这4条指令都是R类型指令，并且指令码都是6'b000000，也就是MIPS32指令集架构中定义的SPECIAL类。此外，第6-10bit都为0，需要依据指令中0-5bit功能码的值进一步判断是哪一种指令。
- 当功能码是6'b100100时，表示是and指令，逻辑“与”运算
指令用法为：and rd, rs, rt
指令作用为：rd <- rs AND rt，将地址为rs的通用寄存器的值，与地址为rt的通用寄存器的值进行逻辑“与”运算，运算结果保存到地址为rd的通用寄存器中。
- 当功能码是6'b100101时，表示是or指令，逻辑“或”运算
指令用法为：or rd, rs, rt
指令作用为：rd <- rs OR rt，将地址为rs的通用寄存器的值，与地址为rt的通用寄存器的值进行逻辑“或”运算，运算结果保存到地址为rd的通用寄存器中。
- 当功能码是6'b100110时，表示是xor指令，异或运算
指令用法为：xor rd, rs, rt
指令作用为：rd <- rs XOR rt，将地址为rs的通用寄存器的值，与地址为rt的通用寄存器的值进行逻辑“异或”运算，运算结果保存到地址为rd的通用寄存器中。
- 当功能码是6'b100111时，表示是nor指令，或非运算
指令用法为：nor rd, rs, rt
指令作用为：rd <- rs NOR rt，将地址为rs的通用寄存器的值，与地址为rt的通用寄存器的值进行逻辑“或非”运算，运算结果保存到地址为rd的通用寄存器中。
2、andi、xori指令
这2条指令的格式如图5-11所示。从图中可以发现这2条指令都是I类型指令，可以依据指令中26-31bit指令码的值判断是哪一种指令。
- 当指令码是6'b001100，表示是andi指令，逻辑“与”运算
指令用法为：andi rt, rs, immediate
指令作用为：rt <- rs AND zero_extended(immediate)，将地址为rs的通用寄存器的值，与指令中立即数进行零扩展后的值进行逻辑“与”运算，运算结果保存到地址为rt的通用寄存器中。
- 当指令码是6'b001110，表示是xori指令，异或运算
指令用法为：xori rt, rs, immediate
指令作用为：rt <- rs XOR zero_extended(immediate)，将地址为rs的通用寄存器的值，与指令中立即数进行零扩展后的值进行逻辑“异或”运算，运算结果保存到地址为rt的通用寄存器中。
3、lui指令
lui指令的格式如图5-12所示。从图中可以发现lui指令是I类型指令，可以依据指令中26-31bit指令码的值是否为6'b001111，从而判断是否是lui指令。
指令用法为：lui rt, immediate
指令作用为：rt <- immediate || 016，将指令中的16bit立即数保存到地址为rt的通用寄存器的高16位，另外，地址为rt的通用寄存器的低16位使用0填充。
4、sll、sllv、sra、srav、srl、srlv指令
这6条指令的格式如图5-13所示，从图中可以发现这6条指令都是R类型指令，并且指令码都是6'b000000，也就是都是SPECIAL类，需要依据指令中0-5bit功能码的值进一步判断是哪一种指令。
- 当功能码是6'b000000，表示是sll指令，逻辑左移
指令用法为：sll rd, rt, sa
指令作用为：rd <- rt << sa (logic)，将地址为rt的通用寄存器的值，向左移sa位，空出来的位置使用0填充，结果保存到地址为rd的通用寄存器中。
- 当功能码是6'b000010，表示是srl指令，逻辑右移
指令用法为：srl rd, rt, sa
指令作用为：rd <- rt >> sa (logic)，将地址为rt的通用寄存器的值，向右移sa位，空出来的位置使用0填充，结果保存到地址为rd的通用寄存器中。
- 当功能码是6'b000011，表示是sra指令，算术右移
指令用法为：sra rd, rt, sa
指令作用为：rd <- rt >> sa (arithmetic)，将地址为rt的通用寄存器的值，向右移sa位，空出来的位置使用rt[31]的值填充，结果保存到地址为rd的通用寄存器中。
- 当功能码是6'b000100，表示是sllv指令，逻辑左移
指令用法为：sllv rd, rt, rs
指令作用为：rd <- rt << rs[4:0](logic)，将地址为rt的通用寄存器的值，向左移位，空出来的位置使用0填充，结果保存到地址为rd的通用寄存器中。移位位数由地址为rs的寄存器值的0-4bit确定。
- 当功能码是6'b000110，表示是srlv指令，逻辑右移
指令用法为：srlv rd, rt, rs
指令作用为：rd <- rt >> rs[4:0](logic)，将地址为rt的通用寄存器的值，向右移位，空出来的位置使用0填充，结果保存到地址为rd的通用寄存器中。移位位数由地址为rs的寄存器值的0-4bit确定。
- 当功能码是6'b000111，表示是srav指令，算术右移
指令用法为：srav rd, rt, rs
指令作用为：rd <- rt >> rs[4:0](arithmetic)，将地址为rt的通用寄存器的值，向右移位，空出来的位置使用rt[31]填充，结果保存到地址为rd的通用寄存器中。移位位数由地址为rs的寄存器值的0-4bit确定。
总结来说，这六条移位操作指令可以分为两种情况：sllv、srav、srlv这3条指令的助记符最后有“v”，表示移位位数是通过寄存器的值确定的，sll、sra、srl这3条指令的助记符最后没有“v”，表示移位位数就是指令中6-10bit的sa的值。
5、nop、ssnop、sync、pref指令
这4条指令的格式如图5-14所示。从图中可以发现nop、ssnop、sync这3条指令都是R类型指令，并且指令码都是6'b000000，也就是都是SPECIAL类。
更进一步，可以发现nop、ssnop两条指令的功能码都是6'b000000，与之前介绍的逻辑左移指令sll的功能码相同，这样在译码的时候会不会有冲突：nop指令的二进制码与sll $0,$0,0的二进制码一样，处理器如何译码？ssnop指令的二进制码与sll $0,$0,1的二进制码一样，处理器如何译码？
nop = sll $0,$0,0
ssnop = sll $0,$0,1其实两者是等价的，sll指令向$0寄存器保存移位结果，实际不会有任何效果，因为无论向$0写任何数，其值始终为0，所以效果等同于什么都不做，这也正是空指令nop、ssnop的效果。所以nop、ssnop指令不用特意实现，完全可以当作特殊的逻辑左移指令sll。