7.3 基于栈和寄存器的指令集

本章节描述的是作者按照 RISC 指令系统设计的虚拟机指令集。

其类似与硬件指令集，可作为编译器后端指令系统目标，用于提供类似硬件指令系统环境，避免编译原理初学者陷入对硬件指令系统不了解的深渊。 降低学习难度，提高学习效率。

这类指令的主要特点如下：

• 1 寄存器的数量固定；
• 2 指令所操作的寄存器数量固定；
• 3 指令的含义简单；

1 寄存器

虚拟机的寄存器分为三种：

• 1 整数寄存器：主要用于整数运算，位宽为 64 bit，根据指令的含义可选择 32 bit 和 64 bit 运算模式。
• 2 浮点寄存器：主要用于浮点数运算，位宽为 64 bit，和通用寄存器一致，可选择位宽模式。
• 3 系统寄存器：对用户不可见，与虚拟机运行系统相关，对其进行操作隐藏在相关指令的实现细节中。
• 4 根据指令格式，整数寄存器、浮点寄存器最多可以有32个。

2 指令格式

每条指令是 32bit 大小对齐的，其中最低 9bit 是操作码，其余23bit作为操作数或者操作码的补充。如下表所示：

2.1 格式1

2.2 格式2

多数指令使用此格式。

2.3 格式3

该格式主要用于比较指令后的三元选择赋值操作。

2.4 格式4

当指令中需要使用立即数时，且在指令中没有足够的空间可以存储时，可以使用指令后跟32bit对齐的立即数操作数。

• 32bit立即数：32bit 指令跟 1 个 32bit 立即数，虚拟机解析执行时，按照指令表达的语义参与运算。
• 64bit立即数：32bit 指令跟 2 个 32bit 立即数，虚拟机解析执行时，按照指令表达的语义，组合成 64bit，后参与运算。
• 其他位宽的立即数类似。

格式如下所示：

3 寄存器与寄存器—指令集

3.1 空指令

空指令一般用于对齐，在本指令集中没有特殊含义，执行空操作。

格式如下：

3.2 算术运算

算术运算包含 +、-、*、/、%，支持的运算类型有 int32、uint32、int64、uint64、flt32、flt64。

• 文本格式： op des,src,src2
• 指令含义：des = src op src2
• 子操作码：可以用于将运算结果进行截断、扩展。
• 助记符后缀的数字(32、64)标识指令运算使用的寄存器位宽。
• 助记符后缀的 i 表示进行有符号运算。
• 助记符后缀的 u 表示进行无符号运算。
• 助记符后缀的 f 表示进行有符号运算。

指令格式如下所示：

3.2 位运算

位运算包括位相关的与、或、非、异或、移位、取反等运算。

支持的运算类型有 uint32、uint64。

• 文本格式： op des,src,src2
• 指令含义：des = src op src2
• 子操作码：可以用于将运算结果进行截断、扩展。
• i32：表示进行 32bit 的位运算。
• i64：表示进行 64bit 的位运算。
• 位运算都是看作无符号运算。

指令格式如下所示：

3.3 逻辑比较

逻辑比较运算包括：<、>、<=、>=、==、!=、 ==0、！=0. 支持的运算类型有 int32、uint32、int64、uint64、flt32\flt64。

• 文本格式： op des,src,src2
• 指令含义：des = src op src2
• 子操作码：可以用于标识比较的方法。
• 比较的结果，存储在整数寄存器中，且使用位宽 64 bit，即des是整数寄存器。

指令格式如下所示：

操作子码定义如下：

当不使用操作子码，而是使用下面方式运算：

• src < src2，设置des寄存器为 -1。
• src == src2，设置des寄存器为 0。
• src > src2，设置des寄存器为 -1。

3.4 条件赋值

条件赋值指令使用比较指令的结果，对另外 2 个源操作数进行选择，传递个目标操作数。

指令格式如下所示：

当比较系列指令使用操作子码方式时：

• cond == 0 ：des = src
• cond != 0 ：des = src2

当比较系列指令不使用操作子码方式时，本系列指令要求使用操作子码进行判断：

操作子码定义如下：

3.5 赋值指令

此系列包括寄存器间赋值或类型转换。

操作子码用于获取源操作数并转换到响应的类型。

操作子码定义如下：

3.6 加载存储指令

此系列指令功能是从内存中读取、存储特定类型数据。

操作子码定义如下：

3.7 出入栈指令

此系列指令用于将数据入栈，同时可以进行类型转换。 注意：入栈数据应当进行 32bit 对齐。以加快虚拟机执行速度数据

3.8 栈内存分配释放

此系列指令用于栈内存分配释放。 注意：立即数是无符号整数。

3.9 跳转指令

• 跳转的偏移量是无符号整数值；
• 相对于函数代码的起始地址；
• 偏移量是偏移的指令条数；

3.10 分支指令

此系列指令用于条件分支跳转。

操作子码定义如下：

3.11 函数指令

4 寄存器与立即数–指令集

待续