將陸續上傳本人寫的新書《自己動手寫CPU》（尚未出版），今天是第17篇。我盡量每周四篇
5.4 邏輯、移位操作與空指令說明
MIPS32指令集架構中定義的邏輯操作指令有8條：and、andi、or、ori、xor、xori、nor、lui。當中ori指令已經實現了，本章要實現其余7條指令。
MIPS32指令集架構中定義的移位操作指令有6條：sll、sllv、sra、srav、srl、srlv。
MIPS32指令集架構中定義的空指令有2條：nop、ssnop。
當中ssnop是一種特殊類型的空操作。在每一個周期發射多條指令的CPU中，使用ssnop指令能夠確保單獨占用一個發射周期。OpenMIPS設計為標量處理器，也就是每一個周期發射一條指令，所以ssnop的作用與nop同樣。能夠依照nop指令的處理方式來處理ssnop指令。
另外，MIPS32指令集架構中還定義了sync、pref這2條指令，當中sync指令用於保證載入、存儲操作的順序，對於OpenMIPS而言，是嚴格依照指令順序運行的，載入、存儲操作也是依照順序進行的，所以能夠將sync指令當作nop指令處理，在這里將其歸納為空指令。pref指令用於緩存預取，OpenMIPS沒有實現緩存，所以也能夠將pref指令當作nop指令處理，此處也將其歸納為空指令。
以上17條指令依照格式、作用的不用，又可分為幾類，分別說明例如以下。
1、and、or、xor、nor
這4條指令的格式如圖5-10所看到的。從圖中能夠發現這4條指令都是R類型指令。而且指令碼都是6'b000000，也就是MIPS32指令集架構中定義的SPECIAL類。此外，第6-10bit都為0，須要根據指令中0-5bit功能碼的值進一步推斷是哪一種指令。
- 當功能碼是6'b100100時，表示是and指令。邏輯“與”運算
指令使用方法為：and rd, rs, rt
指令作用為：rd <- rs AND rt，將地址為rs的通用寄存器的值。與地址為rt的通用寄存器的值進行邏輯“與”運算。運算結果保存到地址為rd的通用寄存器中。
- 當功能碼是6'b100101時。表示是or指令，邏輯“或”運算
指令使用方法為：or rd, rs, rt
指令作用為：rd <- rs OR rt。將地址為rs的通用寄存器的值，與地址為rt的通用寄存器的值進行邏輯“或”運算，運算結果保存到地址為rd的通用寄存器中。
- 當功能碼是6'b100110時，表示是xor指令，異或運算
指令使用方法為：xor rd, rs, rt
指令作用為：rd <- rs XOR rt，將地址為rs的通用寄存器的值，與地址為rt的通用寄存器的值進行邏輯“異或”運算，運算結果保存到地址為rd的通用寄存器中。
- 當功能碼是6'b100111時，表示是nor指令。或非運算
指令使用方法為：nor rd, rs, rt
指令作用為：rd <- rs NOR rt。將地址為rs的通用寄存器的值。與地址為rt的通用寄存器的值進行邏輯“或非”運算，運算結果保存到地址為rd的通用寄存器中。
2、andi、xori指令
這2條指令的格式如圖5-11所看到的。從圖中能夠發現這2條指令都是I類型指令，能夠根據指令中26-31bit指令碼的值推斷是哪一種指令。
- 當指令碼是6'b001100，表示是andi指令，邏輯“與”運算
指令使用方法為：andi rt, rs, immediate
指令作用為：rt <- rs AND zero_extended(immediate)。將地址為rs的通用寄存器的值，與指令中馬上數進行零擴展后的值進行邏輯“與”運算，運算結果保存到地址為rt的通用寄存器中。
- 當指令碼是6'b001110。表示是xori指令。異或運算
指令使用方法為：xori rt, rs, immediate
指令作用為：rt <- rs XOR zero_extended(immediate)。將地址為rs的通用寄存器的值。與指令中馬上數進行零擴展后的值進行邏輯“異或”運算，運算結果保存到地址為rt的通用寄存器中。
3、lui指令
lui指令的格式如圖5-12所看到的。
從圖中能夠發現lui指令是I類型指令，能夠根據指令中26-31bit指令碼的值是否為6'b001111。從而推斷是否是lui指令。
指令使用方法為：lui rt, immediate
指令作用為：rt <- immediate || 016，將指令中的16bit馬上數保存到地址為rt的通用寄存器的高16位。另外。地址為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
這6條指令的格式如圖5-13所看到的，從圖中能夠發現這6條指令都是R類型指令。而且指令碼都是6'b000000。也就是都是SPECIAL類，須要根據指令中0-5bit功能碼的值進一步推斷是哪一種指令。
- 當功能碼是6'b000000，表示是sll指令，邏輯左移
指令使用方法為：sll rd, rt, sa
指令作用為：rd <- rt << sa (logic)，將地址為rt的通用寄存器的值，向左移sa位。空出來的位置使用0填充。結果保存到地址為rd的通用寄存器中。
- 當功能碼是6'b000010，表示是srl指令。邏輯右移
指令使用方法為：srl rd, rt, sa
指令作用為：rd <- rt >> sa (logic)，將地址為rt的通用寄存器的值，向右移sa位，空出來的位置使用0填充，結果保存到地址為rd的通用寄存器中。
- 當功能碼是6'b000011。表示是sra指令，算術右移
指令使用方法為：sra rd, rt, sa
指令作用為：rd <- rt >> sa (arithmetic)，將地址為rt的通用寄存器的值，向右移sa位。空出來的位置使用rt[31]的值填充，結果保存到地址為rd的通用寄存器中。
- 當功能碼是6'b000100。表示是sllv指令，邏輯左移
指令使用方法為：sllv rd, rt, rs
指令作用為：rd <- rt << rs[4:0](logic)。將地址為rt的通用寄存器的值。向左移位，空出來的位置使用0填充，結果保存到地址為rd的通用寄存器中。移位位數由地址為rs的寄存器值的0-4bit確定。
- 當功能碼是6'b000110，表示是srlv指令。邏輯右移
指令使用方法為：srlv rd, rt, rs
指令作用為：rd <- rt >> rs[4:0](logic)，將地址為rt的通用寄存器的值，向右移位，空出來的位置使用0填充。結果保存到地址為rd的通用寄存器中。
移位位數由地址為rs的寄存器值的0-4bit確定。
- 當功能碼是6'b000111，表示是srav指令，算術右移
指令使用方法為：srav rd, rt, rs
指令作用為：rd <- rt >> rs[4:0](arithmetic)，將地址為rt的通用寄存器的值，向右移位。空出來的位置使用rt[31]填充，結果保存到地址為rd的通用寄存器中。
移位位數由地址為rs的寄存器值的0-4bit確定。
總結來說。這六條移位操作指令能夠分為兩種情況：sllv、srav、srlv這3條指令的助記符最后有“v”。表示移位位數是通過寄存器的值確定的，sll、sra、srl這3條指令的助記符最后沒有“v”，表示移位位數就是指令中6-10bit的sa的值。
5、nop、ssnop、sync、pref指令
這4條指令的格式如圖5-14所看到的。從圖中能夠發現nop、ssnop、sync這3條指令都是R類型指令，而且指令碼都是6'b000000。也就是都是SPECIAL類。
更進一步，能夠發現nop、ssnop兩條指令的功能碼都是6'b000000，與之前介紹的邏輯左移指令sll的功能碼同樣。這樣在譯碼的時候會不會有沖突：nop指令的二進制碼與sll $0,$0,0的二進制碼一樣，處理器怎樣譯碼？ssnop指令的二進制碼與sll $0,$0,1的二進制碼一樣，處理器怎樣譯碼？
nop = sll $0,$0,0 ssnop = sll $0,$0,1
事實上兩者是等價的。sll指令向$0寄存器保存移位結果，實際不會有不論什么效果，由於不管向$0寫不論什么數，其值始終為0，所以效果等同於什么都不做，這也正是空指令nop、ssnop的效果。所以nop、ssnop指令不用特意實現，全然能夠當作特殊的邏輯左移指令sll。