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标题: 编程概念和基本 PowerPC 指令 [打印本页]
作者: look_w    时间: 2017-11-18 21:13     标题: 编程概念和基本 PowerPC 指令

POWER5 和其他 PowerPC 处理器系列产品 POWER5™ 处理器是支持 PowerPC® 指令集的高性能处理器系列产品中的最新产品。此系列处理器中的第一款 64 位处理器就是 POWER3。Macintosh G5 处理器是                POWER4 处理器的扩展，增加了额外的向量处理单元。POWER5 处理器是最新一代的 POWER 处理器，同时具备双核和对称多线程功能。这使单独一个芯片能够同步处理 4                个线程！不仅如此，各线程在每个时钟周期内还可执行一组指令（最多可达到 5 条）。
PowerPC 指令集广泛应用于 IBM 和其他厂商提供的多种芯片，而不仅仅是 POWER 系列。它用在服务器、工作站和高端嵌入式环境之中（设想数字摄像机和路由器，而不是移动电话）。Gekko                芯片用在了任天堂的 GameCube 中，Xenon 则用在了 Microsoft 的 Xbox 360 中。Cell Broadband Engine 是近来崭露头角的一种体系结构，使用 PowerPC                指令，并且具有八个向量处理器。Sony PlayStation 3 将使用 Cell，考虑到 PlayStation 3 将用于广泛的多媒体应用程序，因此还使用为数众多的其他向量。
如您所见，PowerPC 指令集比 POWER 处理器系列更加有用。指令集本身可以 64 位模式操作，也可以简化的 32 位模式操作。POWER5 处理器支持这两种模式，POWER5 上的 Linux                发布版支持为 32 位和 64 位 PowerPC 指令集而编译的应用程序。
访问 POWER5 处理器 目前所有的 IBM iSeries 和 pSeries 服务器都使用 POWER5 处理器，并可运行 Linux。此外，开源开发人员还可请求访问 POWER5 机器，以便通过 IBM 的 OpenPower                项目移植应用程序。在一台 G5 Power Macintosh 上运行 PowerPC 发布版即可访问略加修改的                POWER4 处理器，它也是 64 位的。G4 和更早的版本则仅有 32 位。
Debian、Red Hat、SUSE 和 Gentoo 均有一个或多个发布版支持 POWER5 处理器，只有 Red Hat Enterprise Linux AS、SUSE Linux                Enterprise Server 和 OpenSUSE 支持 IBM iSeries 服务器（其余均支持 IBM pSeries 服务器）。
高级编程与低级编程的对比                大多数编程语言都与处理器保持着相当程度的独立性。但都有一些特殊特性依赖于处理器的某些功能，它们更有可能是特定于操作系统的，而不是特定于处理器的。构建高级编程语言的目的是在程序员和硬件体系结构间搭建起一座桥梁。这样做有多方面的原因。尽管可移植性是原因之一，但更重要的一点或许是提供一种更友好的模型，这种模型的建立方式更接近程序员的思考方式，而不是芯片的连线方式。
                然而，在汇编语言编程中，您要直接应对处理器的指令集。这意味着您看系统的方式与硬件相同。这也有可能使汇编语言编程变得更为困难，因为编程模型的建立更倾向于使硬件工作，而不是密切反映问题域。这样做的好处在于您可以更轻松地完成系统级任务、执行那些与处理器相关性很强的优化任务。而缺点是您必须在那个级别上进行思考，依赖于一种特定的处理器系列，往往还必须完成许多额外的工作以准确地建模问题域。
                关于汇编语言，很多人未想到的一个好处就是它非常具体。在高级语言中，对每个表达式都要进行许多处理。您有时不得不担忧幕后到底发生了哪些事情。在汇编语言编程中，您可以完全精确地掌控硬件的行为。您可以逐步处理硬件级更改。
汇编语言基础 在了解指令集本身之前，有两项关于汇编语言的关键内容需要理解，也就是内存模型和获取-执行周期。
内存模型非常简单。内存只存储一种东西 —— 固定范围内的数字，也称为字节（在大多数计算机上，这是一个 0 到 255                    之间的数字）。每个存储单元都使用一个有序地址定位。设想一个庞大的空间，其中有许多信箱。每个信箱都有编号，且大小相同。这是计算机能够存储的惟一                    内容。因此，所有一切最终都必须存储为固定范围内的数字。幸运的是，大多数处理器都能够将多个字节结合成一个单元来处理大数和具有不同取值范围的数字（例如浮点数）。但特定指令处理一块内存的方式与这样一个事实无关：每个存储单元都以完全相同的方式存储。除了内存按有序地址定位之外，处理器还维护着一组寄存器，这是容纳被操纵的数据或配置开关的临时位置。
控制处理器的基本过程就上获取-执行周期。处理器有一个称为程序计数器的寄存器，容纳要执行的下一条指令的地址。获取-执行的工作方式如下：
完成这一切的实际原理极其复杂，特别是 POWER5 处理器可同步处理多达 5 条的指令。但上述介绍对于构思模型来说已足够。
PowerPC 体系结构按特征可表述为加载/存储                体系结构。这也就意味着，所有的计算都是在寄存器中完成的，而不是主存储器中。在将数据载入寄存器以及将寄存器中的数据存入内存时的内存访问非常简单。这与 x86                体系结构（比如说）不同，其中几乎每条指令都可对内存、寄存器或两者同时进行操作。加载/存储体系结构通常具有许多通用的寄存器。PowerPC 具有 32 个通用寄存器和 32 个浮点寄存器，每个寄存器都有编号（与                x86 完全不同，x86 为寄存器命名而不是编号）。操作系统的                ABI（应用程序二进制接口）可能主要使用通用寄存器。还有一些专用寄存器用于容纳状态信息并返回地址。管理级应用程序还可使用其他一些专用寄存器，但这些内容不在本文讨论之列。通用寄存器在 32 位体系结构中是 32                位的，在 64 位体系结构中则是 64 位的。本文主要关注 64 位体系结构。
汇编语言中的指令非常低级 —— 它们一次只能执行一项（有时可能是为数不多的几项）操作。例如，在 C 语言中可以写                d = a + b + c - d + some_function(e, f - g)，但在汇编语言中，每一次加、减和函数调用操作都必须使用自己的指令，实际上函数调用可能需要使用几条指令。有时这看上去冗长麻烦。但有三个重要的优点。第一，简单了解汇编语言能够帮助您编写出更好的高级代码，因为这样您就可以了解较低的级别上究竟发生了什么。第二，能够处理汇编语言中的所有细节这一事实意味着您能够优化速度关键型循环，而且比编译器做得更出色。编译器十分擅长代码优化。但了解汇编语言可帮助您理解编译器进行的优化（在                gcc 中使用 -S 开关将使编译器生成汇编代码而不是对象代码），并且还能帮您找到编译器遗漏的地方。第三，您能够充分利用 PowerPC                芯片的强大力量，实际上这往往会使您的代码比高级语言中的代码更为简洁。
这里不再进一步解释，接下来让我们开始研究 PowerPC 指令集。下面给出了一些对新手很有帮助的 PowerPC 指令：
li REG, VALUE 加载寄存器 REG，数字为 VALUE
add REGA, REGB, REGC 将 REGB 与 REGC 相加，并将结果存储在 REGA 中
addi REGA, REGB, VALUE 将数字 VALUE 与 REGB 相加，并将结果存储在 REGA 中
mr REGA, REGB 将 REGB 中的值复制到 REGA 中
or REGA, REGB, REGC 对 REGB 和 REGC 执行逻辑 “或” 运算，并将结果存储在 REGA 中
ori REGA, REGB, VALUE 对 REGB 和 VALUE 执行逻辑 “或” 运算，并将结果存储在 REGA 中
and, andi, xor, xori, nand, nand, and nor 其他所有此类逻辑运算都遵循与 “or” 或 “ori” 相同的模式
ld REGA, 0(REGB) 使用 REGB 的内容作为要载入 REGA 的值的内存地址
lbz, lhz, and lwz 它们均采用相同的格式，但分别操作字节、半字和字（“z” 表示它们还会清除该寄存器中的其他内容）
b ADDRESS 跳转（或转移）到地址 ADDRESS 处的指令
bl ADDRESS 对地址 ADDRESS 的子例程调用
cmpd REGA, REGB 比较 REGA 和 REGB 的内容，并恰当地设置状态寄存器的各位
beq ADDRESS 若之前比较过的寄存器内容等同，则跳转到 ADDRESS
bne, blt, bgt, ble, and bge 它们均采用相同的形式，但分别检查不等、小于、大于、小于等于和大于等于
std REGA, 0(REGB) 使用 REGB 的地址作为保存 REGA 的值的内存地址
stb, sth, and stw 它们均采用相同的格式，但分别操作字节、半字和字
sc 对内核进行系统调用
注意到，所有计算值的指令均以第一个操作数作为目标寄存器。在所有这些指令中，寄存器都仅用数字指定。例如，将数字 12 载入寄存器 5 的指令是 li 5, 12。我们知道，5                表示一个寄存器，12 表示数字 12，原因在于指令格式 —— 没有其他指示符。
每条 PowerPC 指令的长度都是 32 位。前 6 位确定具体指令，其他各位根据指令的不同而具有不同功能。指令长度固定这一事实使处理器更够更有效地处理指令。但 32                位这一限制可能会带来一些麻烦，后文中您将会看到。大多数此类麻烦的解决方法将在本系列的第 2 部分中讨论。
上述指令中有许多都利用了 PowerPC 的扩展记忆法。也就是说，它们实际上是一条更为通用的指令的特殊形式。例如，上述所有条件跳转指令实际上都是 bc（branch                conditional）指令的特殊形式。bc 指令的形式是 bc MODE, CBIT, ADDRESS。CBIT                是条件寄存器要测试的位。MODE 有许多有趣的用途，但为简化使用，若您希望在条件位得到设置时跳转，则将其设置为 12；若希望在条件位未得到设置时跳转，则将其设置为                4。部分重要的条件寄存器位包括：表示小于的 8、表示大于的 9、表示相等的 10。因此，指令 beq ADDRESS 实际上就是                bc 12, 10 ADDRESS。类似地，li 是 addi 的特殊形式，mr 是                or 的特殊形式。这些扩展的记忆法有助于使 PowerPC 汇编语言程序更具可读性，并且能够编写出更简单的程序，同时也不会抵消更高级的程序和程序员可以利用的强大能力。



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