Kiến trúc Universal

Kiến trúc Universal Architecture là kiến trúc 128 bit của bộ vi xử lý UAx. Kiến trúc này là kiến trúc hoàn toàn 128 bit ngay từ đầu khi thiết kế. Mục tiêu của kiến trúc này là nền tảng tính toán cho hầu hết tất cả thiết bị.
UAx cũng có thể dành cho các thiết bị nhúng, hoặc máy tính cầm tay.

Tổng quát

UA có 128 thanh ghi đa dụng 128 bit dành cho tính số nguyên. Số nguyên có thể là số âm hoặc không âm. Vì độ dài 128 bit khá lớn nên nó cũng có tập lệnh cho tính toán vector cho số nguyên. Ví dụ để tính phép tính cộng cho 4 số nguyên, nó cộng và dư carry của mỗi số ra thanh ghi da dụng khác tại vị trí dư bit
Ngoài ra UA cũng có 128 thanh ghi chấm động 128 bit.

127                      63            31            0
[-------------------------|------------|-------------] 

UA có một thanh ghi cờ có độ dài 128 bit gọi là uflag. Nó dùng kèm với các chỉ lệnh có điều kiện như CMOVcc, Jcc.
Mặc dù kích thước vi lệnh thay đổi từ 1 byte đến 10 bytes nhưng nó được thiết kế rất dễ giải mã. Điều này làm cho nó có sự lai giữa RISC và CISC, nên cực kì linh động trong mã hoá vi lệnh.

Thực hiện

Hiện tại thiết kế này chưa có bản ngôn ngữ mô tả phần cứng và cũng chưa có phiên bản hiện thực.

Kiến trúc

Thanh ghi

Kiến trúc UA khá nhiều thanh ghi, bao gồm :

• Thanh ghi đa dụng: R0->R127 (128 bit)
• Thanh ghi cờ  : RF dài 128 bit
• Thanh ghi điều khiển : CR0->CR7
• Thanh ghi đặc biệt  :

             :RC : khi gọi IP->RC,dùng để ret
             :RS,RR : hỗ trợ cho syscall và sysret

Đối với các thanh ghi đặc biệt như CRn,RC,RS,RR dùng lệnh mov để thay đổi, đây là chỉ lệnh hệ thống nên chỉ phần mềm hệ thống mới thay đổi được.

Chuơng trình

Không gian địa chỉ bộ nhớ là không gian tuyến tính, nghĩa là các dãy địa chỉ liên tục 128 bit địa chỉ cho mỗi byte bộ nhớ. Do đó UA có thể có lên đến 340,282,366,920,938,463,463,374,607,431,768,211,456 bytes. Vì địa chỉ khác lớn cho một chuơng trình trong bộ nhớ, nên không gian này được chia ra thành đoạn. Một chuơng trình có thể có tới 4 đoạn, đoạn mã,2 đoạn dữ liệu,đoạn ngăn xếp. Thanh ghi này có chiều dài 64 bit.Bit thứ 63 là bit phân biệt bit mode hạt nhân hay ứng dụng.

+------------------------------------------------+ 

+ S +                                            + 

+------------------------------------------------+ 

Thanh ghi đoạn này chỉ đến mảng cấu trúc mô tả đoạn.

Cấu trúc mô tả đoạn

127                                                                       0 

+-------------------------------------------------------------------------+ 

+                      limitation                                         + 

+-------------------------------------------------------------------------+

+ type   +          112 bit base address                                  +

+-------------------------------------------------------------------------+

Cấu trúc mô tả đoạn bao gồm:

1. Địa chỉ cơ sở 112 bit
2. 16 bit phân loại đoạn
3. Giới hạn của đoạn 128 bit

Cấu trúc địa chỉ đoạn được lưu trong bảng cấu trúc mô tả đoạn. Bảng này được lưu trong bộ nhớ và thanh ghi DTR lưu địa chỉ cơ sở của đoạn. Vì vậy đoạn rỗng là đoạn có tất cả 256 bit đều bằng không.

Ngắt

Kiến trúc UA cho phép tới 8 bit ngắt tức 256 ngắt, trong đó 32 ngắt đầu tiên được sử dụng cho bộ vi xử lý. Có nhiều tín hiệu ngắt, một số nguồn của ngắt :

1. Vi lệnh, do một số vi lệnh sinh ra (syscall)
2. Ngắt từ thiết bị bên ngoài
3. Ngắt do bộ định thời
4. Ngắt liên-nhân

Bộ vi xử lý thường được tích hợp bộ định thời (có thể lập trình được ) để thực hiện việc ngắt từ các ứng dụng và ngắt liên nhân cho đa xử lý đối xứng. Hệ điều hành sử dụng cơ chế này để thực hiện đa luồng và đa tác vụ. Việc điều khiển ngắt được thực hiện qua cấu trúc dữ liệu và các thanh ghi trong bộ vi xử lý. Vi lệnh mov dùng để sao tải từ bộ nhớ đến thanh ghi điều khiển ngắt và ngược lại.

Vi lệnh UA

Mã vi lệnh của UA có hai chiều dài 2 bytes và 4 bytes, và có thể trộn lẫn với nhau giúp cho mã lệnh được nén thay vì cố định chỉ 4 bytes. Điều này có thể làm được thông qua trình biên dịch. Chiều dài tối đa của mã lệnh là 4 bytes , trường hợp đặc biệt là 10 bytes. Các kiểu mã hoá vi lệnh:

kiểu 3 toán hạng

Kiểu này có 3 bit mode và 3 toán hạng, kiểu này phổ dụng nhất trong UA. Tuỳ theo mức độ thi công mà mode có thể. Tuy nhiên mode 000 là mode của thanh ghi-thanh ghi. Kiểu này không mã hoá được displacement như x86 vì bị đóng trong 4 bytes.

 8 bit        7 bit   7 bit    7 bit        3 bit  

+----------+--------+---------+---------+--------+ 

+  inst    +   rd   +    rs   +   rt    +  ---   + 

+----------+--------+---------+---------+--------+ 

• add,sub,mul,div,and,or,xor
• umul,udiv,uadd,usub
• not,neg
• shl,shr,ssl,ssr,rotl,rotr rd=%rs op %rt(shift sử dụng 3 bit để xác định kích thước toán hạng)

các vi lệnh có thể sử dụng 3 bit cuối để xác định điều kiện thực thi

Kiểu 2 toán hạng

Chiều dài cũng 4 bytes
Phù hợp với lệnh cp với 4 bit điều kiện,3 bit mode cho thanh ghi hay địa chỉ bộ nhớ,size qui đinh kích cỡ toán hạng.

   8 bit   7 bit r    7bit r    cond.  mode    size
+--------+---------+---------+-------+-------+---------+ 
+  inst  +    rd   +   rs    +  cccc +  mmm  +   zzz   + 
+--------+---------+---------+-------+-------+---------+ 

• LB,LW,LD,LQ,LDQ (%rs),%rd (bit mode dùng để xác định trường hợp r-r hay r-m
• SB,SW,SD,SQ,SDQ %rs,(%rd)
• JRcc *(%rd),%rs,: jump to rd lưu RIP vào %rs theo điều kiện cccc

+----------+---------+---------+----------+----+
+   inst   +    rd   +    rs   +   imm8   + -- +
+----------+---------+---------+----------+----+

• ADDIB, SUBIB,MULIB,DIVIB :%rd=%rs op imm8
• shl,shr,rotl,rotr

Kiểu tích hợp hằng

Chiều dài 4 bytes

+--------+-----------------------------------------+
+   JI   +               imm24                     +
+--------+-----------------------------------------+
Nhảy vô điều kiện tới địa chỉ tương đối imm24, địa chỉ này là có dấu

Nhảy với 4 bit điều kiện

+--------+------+----------------------------------+
+  JIcc  + cccc +       imm20                      +
+--------+------+----------------------------------+
Nhảy với 4 bit điều kiện tới imm20,địa chỉ này có dấu

+----------+-------+----+---------------------------+
+  ins     +  opr  +  m +       imm16               +
+----------+-------+----+---------------------------+

• ADDIW,SUBIW,MULIW,DIVIW $imm16,%rd: %rd=imm16 op %rd
• LIW $imm16,opr : Tải imm16 vào opr,opr có thể là thanh ghi hay địa chỉ bộ nhớ

Kiểu 1 toán hạng

Chiều dài 2 bytes

   8 bit  1bit    7 bit 
 +--------+----+----------+ 
 +  inst  + M  +   op1    + 
 +--------+----+----------+ 

Kiểu này dành cho lệnh jmp hoặc call và các lệnh chỉ có một toán hạng. Bit M dùng để xác dịnh thanh ghi hay địa chỉ. Điều này cũng không cần thiết cho lệnh jmp và call.

• CALL, JR (nén)
• RET [%rd] : trở về từ nhảy
• SYSCALL,SYSRET
• LDT,SDT : tải/lưu segment descriptor table
• LIDT,SIDT : tải/lưu interrupt descriptor table
• LTR,STR  : tải/lưu thread register

8 bit vi lệnh chia thành hai nhóm: 

• nhóm chính:0->> 11------
• nhóm hệ thống: 11-------> ffffffff (64 opcode )

Bộ tập lệnh

Các toán tử của vi lệnh là thanh ghi với thanh ghi ngoại trừ L/S có thể thanh ghi - bộ nhớ. Dấu ghạch ngang '-' là thay đổi tuỳ thuộc vào câu lệnh. Mỗi opcode là tương ứng cho một lệnh của hợp ngữ điều này tạo điều kiện cho lập trình viên dễ hiểu hơn khi lập trình. Sau đây là bảng mô tả tập lệnh UA :

STT	Tên	Hợp ngữ	Mã hoá	Mô tả
1	ADD	add %rd,%rs,%rt	00000001 ---dddddddsssssssttttttt	Cộng, %rd=%rs+%rt
2	ADC	adc %rd,%rs,%rt	00000010 ---dddddddsssssssttttttt	Cộng với carry
2	ADDU	addu %rd,%rs,%rt	00000011 ---dddddddsssssssttttttt	Cộng không dấu, %rd=%rs+%rt
4	ADDI	addiw %rd,$0xfff	00000100 ---dddddddsssssssiiiiiii	Cộng toán tử với hằng 7 bit, %rd=%rs+$imm7
5	SUB	sub %rd,%rs,%rt	00001000 ---dddddddsssssssttttttt	Trừ
6	SUBC	subc %rd,%rs,%rt	00001001 ---dddddddsssssssttttttt	Trừ mượn carry
7	MUL	mul %rn,%rs,%rt	00010000 ---dddddddsssssssttttttt	Nhân có dấu %rn+%r{n+1}=%rs+%rt, giá trị trả về 256 bits
8	UMUL	smul %rn,%rs,%rt	00010001 ---dddddddsssssssttttttt	Nhân không dấu, trả về 256 bits
9	DIV	div %rq,%rs,%rt	00001111 ---dddddddsssssssttttttt	Chia có dấu, trả về, %rq=%rs/%rt, remainer= %r{q+1)
10	UDIV	udiv %rq,%rs,%rt	00001110 ---dddddddsssssssttttttt	Chia không dấu , như trên
11	SHR	shr %rd,%rs,$imm7	00001111 tttdddddddsssssssiiiiiii	rd=rs>>imm7, 3 bits t size
12	SHL	shl %rd,%rs,$imm7	00000000 tttdddddddssssssiiiiiii	rd=rs<<imm7,
13	ROTR	rotr $rd,%rs,$imm7	00000000 tttdddddddssssssiiiiiii	rotate right
14	ROTL	rotl %rd,%rs,$imm7	00000000 tttdddddddssssssiiiiiii	rotate left
15	BCNT	bcnt %rd,%rs	00000000 tttdddddddsssssss-------	Điếm số bit có trong %rs -> %rd
20	AND	and %rd,%rs,%rt	00000000 ---dddddddssssssssttttttt	and logic
21	OR	or %rd,%rs,%rt	00000000 ---dddddddssssssssttttttt	or logic
22	XOR	xor %rd,%rs,%rt	00000000 ---dddddddssssssssttttttt	xor logic
23	CMP	cmp %rd,%rs,%rt	00000000 ---dddddddssssssssttttttt	rd = rs cmp rt
25	ADDIW	addiw %rd,imm16	00000000 -ddddddd + imm16	Cộng, %rd=%rd+imm16
26	SUBIW	subiw %rd,imm16	00000000 -ddddddd + imm16	Trừ, %rd=%rd+imm16
30	JI	ji $imm24	10000000 imm24	Nhảy vô điều kiện tới 24 bits tuơng đối
31	JIcc	JICC $imm20 bit	10000001 cccc imm20	Nhảy điều kiện tới 20 bit tuơng đối, 4bit diều kiện
32	JR	jmp (%rr)	10000101 -rrrrrrr	Nhảy vô điều kiện tới thanh ghi (%rr),opcode 2 bytes
33	JRcc	JRcc (%rd),%rs	10000111 ---dddddddssssssscccc---	Nhảy có điều kiện tới (%rd),lưu IP vào %rs 4 bit điều kiện
60	Lzz	lb (%rs),%rd	11000000 mmmsssssssdddddddcccczzz	tải 1,2,4,8,16 bytes bộ nhớ (%rs) vào thanh ghi %rd
63	Szz	Ls (%rs),%rd	11111111 mmmsssssssdddddddcccczzz	Lưu 1,2,3,4,8,16 bytes từ %rd vào (%rs)
65	LIR	li $imm16,%rd	11111111 Mddddddd + imm16	Lưu imm16 vào op, bit M là mode của op(thanh ghi hay bộ nhớ)
66	CALLI	icall $imm24	11111111 + imm24	Gọi tới địa chỉ tuơng đối 24 bit,IP lưu vào
67	CALLR	rcall %rr	11111111 + -ddddddd	Gọi tới địa chỉ tuyệt đối trong (%rr),opcode 2 bytes
68	RET	ret	11111111 1--------	trở về từ ICALL hoặc RCALL,ret hỗ trợ 2 mode trả về,opcode 2 bytes
69	SYSCALL	syscall	11111111 111111111	gọi đến hàm hệ thống,opcode 2 bytes
70	SYSRET	sysret	11111111111111111	Trở về từ lời gọi hàm
80

STT	Tên	bit	Mô tả
1	z/e	000	Bằng
2	nz/ne	001	Không bằng
3	cz/a	010	Lớn hơn
4	c/b	011	Nhỏ hơn
5	znc/ae	100	Lớn hơn hoặc bằng
6	be	101	Nhỏ hơn hoặc bằng
7	od	110	Trật tự
8	un	111	Không điều kiện

Xem thêm

• Vi xử lý
• X86