处理器系列之PowerPC指令集

　　对 PowerPC 体系结构家族树的所有分支来说，PowerPC 体系结构和应用级编程模型是通用的。

　　PowerPC 体系结构是一种精减指令集计算机(Reduced Instruction Set Computer，RISC)体系结构，定义了 200 多条指令。PowerPC 之所以是 RISC，原因在于大部分指令在一个单一的周期内执行，而且通常只执行一个单一的操作(比如将内存加载到寄存器，或者将寄存器数据存储到内存)。

　　PowerPC 体系结构分为三个级别(或者说是“book”)。通过对体系结构以这种方式进行划分，为实现可以选择价格/性能比平衡的复杂性级别留出了空间，同时还保持了实现间的代码兼容性。

　　Book I. 用户指令集体系结构

　　定义了通用于所有 PowerPC 实现的用户指令和寄存器的基本集合。这些是非特权指令，为大多数程序所用。

　　Book II. 虚拟环境体系结构

　　定义了常规应用软件要求之外的附加的用户级功能，比如高速缓存管理、原子操作和用户级计时器支持。虽然这些操作也是非特权的，但是程序通常还是通过操作系统调用来访问这些函数。

　　Book III. 操作环境体系结构

　　定义了操作系统级需要和使用的操作。其中包括用于内存管理、异常向量处理、特权寄存器访问、特权计时器访问的函数。Book III 中详细说明了对各种系统服务和功能的直接硬件支持。

　　从最初的 PowerPC 体系结构的开发开始，就根据特定的市场需求而发生分支。当前，PowerPC 体系结构家族树有两个活跃的分支，分别是PowerPC AS体系结构和 PowerPC Book E体系结构。PowerPC AS 体系结构是 IBM 为了满足它的 eServer pSeries UNIX 和 Linux 服务器产品家族及它的 eServer iSeries 企业服务器产品家族的具体需要而定义的(参阅 参考资料中的链接以获得更多资料)。PowerPC Book E 体系结构，也被称为 Book E，是 IBM 和 Motorola 为满足嵌入式市场的特定需求而合作推出的。PowerPC AS 所采用的原始 PowerPC 体系结构与 Book E 所采用的扩展之间的主要区别大部分集中于 Book III 区域中。

　　在这些衍生的体系结构中还有一些适当的应用级扩展，这些扩展大部分与具体应用的场合相关，但是 PowerPC AS 和 PowerPC Book E 共享在 PowerPC 体系结构的 Book I 中定义的基本指令集。虽然三种体系结构主要在操作系统级别上表现出不同，但它们在很大程度上具备应用级的兼容性。

　　PowerPC 最初定义了同时对 32 位和 64 位实现的支持，可以让 32 位的应用程序运行于 64 位系统之上。在 IBM pSeries 和 iSeries 服务器上使用的 PowerPC AS 系统现在只提供体系结构的 64 位实现，新的 64 位应用程序和遗留的 32 位的应用程序可以运行于同一个系统之上。PowerPC Book E 体系结构同时有 32 位实现和 64 位实现，64 位实现也完全兼容 32 位 PowerPC 应用程序。这两种体系结构都具备与 PowerPC Book I 指令和寄存器的完全兼容性，同时提供了对内存管理、异常和中断、计时器支持和调试支持等各方面的系统级扩展。

　　POWER 的自然历史

　　POWER 和 PowerPC 微处理器有着漫长而传奇的历史，最初是 IBM 801，其后是 POWER、RS64 和 PowerPC 芯片系列(这些并不是线性发展的)。每个芯片家族都对计算世界有自己强有力的影响，从游戏控制台到主机，从数字手表到高端工作站，到处都得到了应用。欲了解全部历史，请阅读“ 人类的 POWER：IBM 的芯片制造历史”。

　　最初的 PowerPC 体系结构仍是 PowerPC AS 和 PowerPC Book E 的主要组成部分，并仍保持了其完整性，表现出了令人信服的应用级兼容性。

　　PowerPC 应用程序编程模型

　　当用到不只一种类型的 PowerPC 处理器时，开发人员应时刻谨记处理器处理内存的方式存在一些差异。

　　PowerPC 存储模型

　　PowerPC 体系结构本身支持字节(8 位)、半字(16 位)、字(32 位) 和双字(64 位) 数据类型。

　　PowerPC 实现还可以处理最长 128 字节的多字节字符串操作。32 位 PowerPC 实现支持 4-gigabyte 的有效地址空间，而 64 位 PowerPC 实现支持 16-exabyte 的有效地址空间。所有存储都可以字节寻址。

　　对于错位数据访问来说，不同的产品家族提供了不同的校准支持，有一些是以处理异常的方式，其他的是通过硬件中的一步或者多步操作来处理访问。

　　最高位字节在最前(Big-endian)还是最低位字节在最前(little-endian)?

　　PowerPC、PowerPC AS 以及早期的 IBM PowerPC 4xx 家族大部分是字节排列顺序最高位在最前的机器，这就意味着对半字、字以及双字访问来说，最重要的字节(most-significant byte，MSB)位于最低的地址。各实现对最低位在最前的字节排列顺序方式的支持不同。PowerPC 和 PowerPC AS 提供了最小限度的支持，而 4xx 家族为最低位字节在最前的存储提供了更为健壮的支持。Book E 是字节排列顺序无关的，因为 Book E 体系结构完全支持这两种访问方法。

　　PowerPC 应用级寄存器

　　PowerPC 的应用级寄存器分为三类：通用寄存器(general-purpose register，GPR)、浮点寄存器(floating-point register [FPR] 和浮点状态和控制寄存器 [Floating-Point Status and Control Register，FPSCR])和专用寄存器(special-purpose register，SPR)。让我们来分别看一下这三类寄存器。

　　通用寄存器(GPR)

　　用户指令集体系结构(Book I)规定，所有实现都有 32 个 GPR(从GPR0 到 GPR31)。GPR 是所有整数操作的源和目的，也是所有加载/存储操作的地址操作数的源。GPR 还提供对 SPR 的访问。所有 GRP 都是可用的，只有一种情况例外：在某些指令中，GPR0 只是代表数值 0，而不会去查找 GPR0 的内容。

　　浮点寄存器(FPR)

　　Book I 规定，所有实现都有 32 个 FPR(从 FPR0 到 FPR31)。FPR 是所有浮点操作的源和目的操作数，可以存放 32 位和 64 位的有符号和无符号整数，以及单精度和双精度浮点数。FPR 还提供对 FPSCR 的访问。

　　注意，嵌入式微处理器实现时经常不提供对浮点指令集的直接硬件支持，或者只是提供一个附加浮点硬件的接口。很多嵌入式应用程序很少或者根本不需要浮点算法，而当需要的时候，对 PowerPC 浮点指令执行进行软件仿真就足够了。在嵌入式微处理器中，硬件中省去浮点(支持)而为实现带来的芯片面积和功率的减少是至关重要的。

　　浮点状态和控制寄存器(FPSCR)捕获浮点操作的状态和异常结果，FPSCR 还具有控制位，以支持特定的异常类型和对四种舍入模式之一的选择。对 FPSCR 的访问要通过 FPR。

　　专用寄存器(SPR)

　　SPR 给出处理器核心内部资源的状态并对其进行控制。不需要系统服务的支持就可以由应用程序读写的 SPR 包括计数寄存器(Count Register)、链接寄存器(Link Register)和整型异常寄存器(Integer Exception Register)。需要系统服务的支持才可以由应用程序读写的 SPR 包括时基(Time Base)和其他各种可能支持的计时器。

　　指令地址寄存器(Instruction Address Register，IAR)

　　这个寄存器就是程序员们所熟知的 程序计数器或者 指令指针。它是当前指令的地址。这实际上是一个伪寄存器，用户只能通过“branch and link”指令才能直接使用这个寄存器。IAR 主要是由调试器使用，显示将要被执行的下一条指令。

　　链接寄存器(Link Register，LR)

　　这个寄存器存放的是函数调用结束处的返回地址。某些转移指令可以自动加载 LR 到转移之后的指令。每个转移指令编码中都有一个 LK 位。如果 LK 为 1，转移指令就会将程序计数器移为 LR 中的地址。而且，条件转移指令 bclr 转移到 LR 中的值。

　　定点异常寄存器(Fixed-Point Exception Register，XER)

　　这个寄存器存放整数运算操作的进位以及溢出信息。它还存放某些整数运算操作的进位输入以及加载和存储指令( lswx 和 stswx )中传输的字节数。

　　计数寄存器(Count Register，CTR)

　　这个寄存器中存放了一个循环计数器，会随特定转移操作而递减。条件转移指令 bcctr 转移到 CTR 中的值。

　　条件寄存器(Condition Register，CR)

　　这个寄存器分为八个字段，每个字段 4 位。很多 PowerPC 指令将指令的第 31 位编码为 Rc 位，有一些指令要求 Rc 值等于 1。当 Rc 等于 1 且进行整数操作时，CR 字段 0 被设置来表示指令操作的结果：相等(Equal, EQ)，大于(Greater Than, GT)，小于(Less Than, LT)，以及和溢出(Summary Overflow, SO)。当 Rc 等于 1 且进行浮点操作时，CR 字段 1 被设置用来表示 FPSCR 中异常状态位的状态：FX、FEX、VX 和 OX。任何一个 CR 字段都可以是整数或者浮点比较指令的目标。CR 字段 0 还被设置用来表示条件存储指令( stwcx 或者stdcx ) 的结果。还有一组指令可以操纵特定的 CR 位、特定的 CR 字段或者整个 CR，通常为了测试而将几个条件组合到同一个位中。

　　处理器版本寄存器(Processor Version Register，PVR)

　　PVR 是一个 32 位只读寄存器，标识处理器的版本和修订级别。处理器版本由 PowerPC 体系结构过程分配。修订级别由实现定义。需要有特权才能访问 PVR，所以应用程序只能在操作系统函数的帮助下才可以确定处理器版本。