PowerPC 体系结构规范

PowerPC 体系结构规范（PowerPC Architecture Specification）发布于 1993 年，它是一个 64 位规范 ( 也包含 32 位子集 )。几乎所有常规可用的 PowerPC（除了新型号 IBM RS/6000 和所有 IBM pSeries 高端服务器）都是 32 位的。

PowerPC 处理器有 32 个（32 位或 64 位）GPR（通用寄存器）以及诸如 PC（程序计数器，也称为 IAR／指令地址寄存器或 NIP／下一指令指针）、LR（链接寄存器）、CR（条件寄存器）等各种其它寄存器。有些 PowerPC CPU 还有 32 个 64 位 FPR（浮点寄存器）。MPC555使用的PowerPC CPU是带有FPR的。一些常用寄存器介绍如下：

通用寄存器的用途：

r0　　　在函数开始（function prologs）时使用。

r1　　　堆栈指针，相当于ia32架构中的esp寄存器，idapro把这个寄存器反汇编标识为sp。

r2　　　内容表（toc）指针，idapro把这个寄存器反汇编标识为rtoc。系统调用时，它包含系统调用号（这个好像跟系统有关吧）。

r3　　　作为第一个参数和返回值。

r4-r10　函数或系统调用开始的参数。

r11　　 用在指针的调用和当作一些语言的环境指针。

r12　　 它用在异常处理和glink（动态连接器）代码。

r13　　 保留作为系统线程ID。

r14-r31 作为本地变量，非易失性。

专用寄存器的用途：

lr　　　链接寄存器，它用来存放函数调用结束处的返回地址。

ctr　　 计数寄存器，它用来当作循环计数器，会随特定转移操作而递减。

xer　　 定点异常寄存器，存放整数运算操作的进位以及溢出信息。

msr　　 机器状态寄存器，用来配置微处理器的设定。

cr　　　条件寄存器，它分成8个4位字段，cr0-cr7，它反映了某个算法操作的结果并且提供条件分支的机制。

寄存器r1、r14-r31是非易失性的，这意味着它们的值在函数调用过程保持不变。寄存器r2也算非易失性，但是只有在调用函数在调用后必须恢复它的值时才被处理。

寄存器r0、r3-r12和特殊寄存器lr、ctr、xer、fpscr是易失性的，它们的值在函数调用过程中会发生变化。此外寄存器r0、r2、r11和r12可能会被交叉模块调用改变，所以函数在调用的时候不能采用它们的值。

条件代码寄存器字段cr0、cr1、cr5、cr6和cr7是易失性的。cr2、cr3和cr4是非易失性的，函数如果要改变它们必须保存并恢复这些字段。

在AIX上，svca指令（sc是PowerPC的助记符）用来表示系统调用，r2寄存器指 定系统调用号，r3-r10寄存器是给该系统调用的参数。在执行系统调用指令之前有两个额外的先决条件：LR寄存器必须保存返回系统调用地址的值并且在系 统调用前执行crorc cr6, cr6, cr6指令（？）。

异常处理器

整数异常寄存器XER是一个特殊功能寄存器，它包括一些对增加计算精度有用的信息和出错信息。XER的格式如下：

SO为总体溢出标志：一旦有溢出位OV置位，SO就会置位。

OV为溢出标志：当发生溢出时置位，否则清零；在作乘法或除法运算时，如果结果超过寄存器的表达范围，则溢出置位。

CA为进位标志：当最高位产生进位时，置位，否则清零；扩展精度指令（后述）可以用CA作为操作符参与运算。

存储/加载指令

1 整数存储指令

整数存储指令如表2所示。

表2 整数存储指令

名称	助记符	语法格式
字节存储（偏移地址寻址）	stb	rS, d(rA)
字节存储（寄存器寻址）	stbx	rS, rA, rB
记录有效地址的字节存储（偏移地址寻址）	stbu	rS, d(rA)
记录有效地址的字节存储（寄存器寻址）	stbux	rS, rA, rB
半字存储（偏移地址寻址）	sth	rS, d(rA)
半字存储（寄存器寻址）	sthx	rS, rA, rB
记录有效地址的半字存储（偏移地址寻址）	sthu	rS, d(rA)
记录有效地址的半字存储（寄存器寻址）	sthux	rS, rA, rB
字存储（偏移地址寻址）	stw	rS, d(rA)
字存储（寄存器寻址）	stwx	rS, rA, rB
记录有效地址的字存储（偏移地址寻址）	stwu	rS, d(rA)
记录有效地址的字存储（寄存器寻址）	stwux	rS, rA, rB

（1） 字节存储指令stb（偏移地址寻址）

stb rS，d（rA）

有效地址为rA的内容加d，rS的低8位内容存储到有效地址为EA的存储器中。

（2） 字节存储指令stbx（寄存器寻址）

stbx rS，rA，rB

有效地址为rA的内容加上rB的内容，rS的低8位内容存储到有效地址为EA的存储器中。

（3） 记录有效地址的字节存储指令stbu（偏移地址寻址）

stub rS，d（rA）

有效地址EA＝（rA）＋d，rS的低8位内容存储到有效地址为EA的存储器中。rA＝EA，如果rA＝0，则指令无效。

（4） 记录有效地址的字节存储指令stbux（寄存器寻址）

stbux rS，rA，rB

有效地址EA＝（rA）＋（rB），rS的低8位内容存储到有效地址为EA的存储器中，rA＝EA，如果rA＝0，则指令无效。

（5） 半字存储指令sth（偏移地址寻址）

sth rS，d（rA）

有效地址EA＝（rA）＋d，rS的低16位内容存储到有效地址为EA的存储器中。

（6） 记录有效地址的半字存储指令sthu（偏移地址寻址）

sthu rS，d（rA）

有效地址EA＝（rA）＋d，rS的低16位内容存储到有效地址为EA的存储器中。rA＝EA，如果rA＝0，则指令无效。

（7） 字存储指令stw（偏移地址寻址）

stw rS，d（rA）

有效地址EA＝（rA）＋d，rS的32位内容存储到有效地址为EA的存储器中。

（8） 记录有效地址的字存储指令stwu（偏移地址寻址）

stwu rS，d（rA）

有效地址EA＝（rA）＋d，rS的32位内容存储到有效地址为EA的存储器中，rA＝EA，如果rA＝0，则指令无效。

（9） 记录有效地址的字存储指令stwux（寄存器寻址）

stwux rS，rA，rB

有效地址EA＝（rA）＋（rB），rS的32位内容存储到有效地址为EA的存储器中。rA＝EA，如果rA＝0，则指令无效。

（10）字存储指令stwx（寄存器寻址）

stwx rS，rA，rB

有效地址EA＝（rA）＋（rB），rS的32位内容存储到有效地址为EA的存储器中。

2、整数加载指令

整数加载指令如表3所示。

名称	助记符	语法格式
高位清零加载字节指令（偏移地址寻址）	lbz	rD, d(rA)
高位清零的加载字节指令（寄存器寻址）	lbzx	rD, rA, rB
高位清零的加载字节并记录有效地址指令（偏移地址寻址）	lbzu	rD, d(rA)
高位清零的加载字节并记录有效地址指令（寄存器寻址）	lbzux	rD, rA, rB
高位清零的加载半字指令（偏移地址寻址）	lhz	rD, d(rA)
高位清零的加载半字指令（寄存器寻址）	lhzx	rD, rA, rB
高位清零的加载半字并记录有效地址指令（偏移地址寻址）	lhzu	rD, d(rA)
高位清零的加载半字并记录有效地址指令（寄存器寻址）	lhzux	rD, rA, rB
加载半字指令（偏移地址寻址）	lha	rD, d(rA)
加载半字指令（寄存器寻址）	lhax	rD, rA, rB
加载半字并记录有效地址指令（偏移地址寻址）	lhau	rD, d(rA)
加载半字并记录有效地址指令（寄存器寻址）	lhaux	rD, rA, rB
加载字指令（偏移地址寻址）	lwz	rD, d(rA)
加载字指令（寄存器寻址）	lwzx	rD, rA, rB
加载字并记录有效地址指令（偏移地址寻址）	lwzu	rD, d(rA)
加载字并记录有效地址指令（寄存器寻址）	lwzux	rD, rA, rB

（1） lbz rD, d(rA) ；EA＝（rA|0）＋d。从存储器读取EA地址的内容，并加载低8位到rD，rD的其他位清0。不影响其他寄存器。

（2） lbzu rD, d(rA) ；EA＝（rA）＋d。从存储器读取EA地址一个字节的内容，并加载低8位到rD，rD的其他各位清零，有效地址EA存放在rA中。

（3） lbzux rD，rA，rB ；EA＝（rA）＋（rB）。从存储器读取EA地址一个字节的内容，并加载低8位到rD，rD的其他各位清零，EA存放在rA中。如果rA＝0或者rA＝rD，则指令无效。

（4） lbzx rD，rA，rB ；EA＝（rA|0）＋（rB）。从存储器读取EA地址一个字节的内容，并加载低8位到rD，rD的其他各位清0。

（5） lha rD, d(rA) ；EA＝（rA|0）＋d。从存储器EA处读取两个字节的数，并加载到rD的低16位。rD的其他位填充最高位的值。

（6） lhax rD，rA，rB ；EA＝（rA）＋（rB）。从存储器EA处读取两个字节的数，并加载到rD的低16位。rD的其他位填充最高位的值。

（7） lhau rD, d(rA) ；EA＝（rA）＋d。从存储器EA处读取两个字节的数，并加载到rD的低16位。rD的其他位填充最高位的值。EA存放在rA中，如果rA＝0或者rA＝rD，则指令格式无效。

（8） lhaux rD，rA，rB ；EA＝（rA）＋（rB）。从存储器EA处读取两个字节的数，并加载到rD的低16位。rD的其他位填充最高位的值。EA存放在rA中，如果rA＝0或者rA＝rD，则指令格式无效。

（9） lhz rD, d(rA) ；EA＝（rA|0）＋d。从存储器EA处读取两个字节的数，并加载到rD的低16位。rD的其他位清零。

（10）lhzu rD, d(rA) ；EA＝（rA|0）＋d。从存储器EA处读取两个字节的数，并加载到rD的低16位。rD其他位清零。EA存入rA，如果rA＝0或者rA＝rD，则指令格式无效。

（11）lhzux rD，rA，rB ；EA＝（rA）＋（rB）。从存储器EA处读取两个字节的数，加载到rD的低16位，rD其他位清零。EA存入rA，如果rA＝0或者rA＝rD，则指令格式无效。

（12）lhzx rD，rA，rB ；EA＝（rA|0）＋（rB），从EA处读取两个字节的数，并加载到rD的低16位，将rD的其他位清零。

（13）lwz rD，d（rA） ；EA＝（rA|0）＋d，从EA处读取4个字节的数，并加载到rD。

（14）lwzu rD，d（rA） ；EA＝（rA）＋d，从EA处读取4个字节的数，并加载到rD。rA＝EA，如果rA＝0或rA＝rD，则指令格式无效。

（15）lwzux rD，rA，rB ；EA＝（rA）＋（rB），从EA处读取4个字节的数，并加载到rD。rA＝EA，如果rA＝0或rA＝rD，则指令格式无效。

（16）lwzx rD，rA，rB ；EA＝（rA|0）＋（rB），从EA处读取4个字节的数，并加载到rD。

整数多字存储/加载指令

表3 整数多字存储/加载指令

名称	助记符	语法格式
多字加载	lmw	rD，d（rA）
多字存储	stmw	rS，d（rA）

（1） lmw rD，d（rA） ；EA＝rA＋d。以EA起始的n个连续的字加载到通用寄存器GPRs rD到r31处，n＝32－rD。EA必须为4的倍数，如果rA＝0，则指令格式无效。指令执行时间长。

（2） stmw rS，d（rA） ；EA＝rA＋d。把通用寄存器从GPRs rS到GPRs r31，存储到以EA起始的n个连续的字存储器，EA必须是4的倍数。指令执行时间长。

转移指令

表4 分支控制指令

名称	助记符	语法格式
无条件转移	b( ba bl bla)	target_addr
条件转移	bc( bca bcl bcla)	BO,BI,target_addr
条件转移（转移目标地址由LR指出）	bclr(bclrl)	BO,BI
条件转移（转移目标地址由CTR指出）	bcctr(bcctrl)	BO,BI

（1） 无条件转移指令bx（b ba bl bla）

指令的编码格式：

指令的语法格式：

b target_addr（AA=0 LK=0）

ba target_addr（AA=1 LK=0）

bl target_addr（AA=0 LK=1）

bla target_addr（AA=1 LK=1）

如果AA＝0，则转移目标地址为LI||0b00的值经符号位扩展后加上指令地址。

如果AA＝1，则转移目标地址为LI||0b00的值经符号扩展后的值。

如果LK＝1，则转移指令下一条指令的有效地址存放到连接寄存器。

（1） 条件转移指令bcx

指令编码格式：

指令语法格式：

bc BO, BI, target_addr（AA＝0 LK＝0）

bca BO, BI, target_addr（AA＝1 LK＝0）

bcl BO, BI, target_addr（AA＝0 LK＝1）

bcla BO, BI, target_addr（AA＝1 LK＝1）

BI字段表示条件寄存器CR中的位用于转移条件。BO字段操作码定义见表5。

表5 BO字段操作码定义

BO	说明
0000y	计数器CTR减量，如果条件不成立则转移
0001y	计数器CTR减量，如果条件不成立则转移
001zy	如果条件不成立，则转移
0100y	计数器CTR减量，如果条件成立则转移
0101y	计数器CTR减量，如果条件成立则转移
011zy	如果条件成立则转移
1z00y	计数器CTR减量，如果CTR！＝0，则发生转移
1z01y	计数器CTR减量，如果CTR＝0，则发生转移
1z1zz	发生转移

注：位z表示该位可以被忽略，位y表示是不是条件转移

（2） 条件转移指令bclx（转移目标地址由LR指出）

指令的编码格式：

指令的语法格式：

bclr BO, BI(LK=0)

bclrl BO, BI(LK=1)

BI字段表示条件寄存器CR中的位用于转移条件。

BO字段操作码定义如表5所示。

转移目标地址为LR[0-29]||0b00。

如果LK＝1，则转移指令下一条有效地址存放到连接寄存器。

（3） 条件转移指令bcctrx（转移目标地址由CTR指出）

指令的编码格式：

指令的语法格式：

bcctr BO, BI(LK=0)

bcctrl BO, BI(LK=1)

转移目标地址是CTR||0b00。

如果LK＝1，则转移指令下一条指令的有效地址存放到连接寄存器。

如果减量计数器（BO[2]=0），指令格式无效，则转移到目标地址。

特殊寄存器传送指令

特殊寄存器传送指令如表6所示。

表6 特殊寄存器传送指令

名称	助记符	语法格式
读取机器状态寄存器	mfmsr	rD
写入机器状态寄存器	mtmsr	rS
读取特殊功能寄存器	mfspr	rD, SPR
写入特殊功能寄存器	mtspr	SPR, rS
读取段寄存器	mfsr	rD, SR
写入段寄存器	mtsr	SR, rS
间接读取段寄存器	mfsrin	rD, rB
间接写入段寄存器	mtsrin	rS, rB
读取时基寄存器	mftb	rD, TBR

（1） 读取机器状态寄存器指令mfmsr

指令的编码格式：

指令的语法格式：

mfmsr rD

读取MSR的内容放入rD中，这是超级用户层指令，不影响其他寄存器。

（2）写入机器状态寄存器指令mtmsr

指令的编码格式：

指令的语法格式：

mtmsr rS

把rS的内容存入MSR中，这是超级用户指令。

（1） 读取特殊功能寄存器指令mfspr

指令的编码格式：

指令的语法格式：

mfspr rD，SPR

指令操作：

n<—spr[5-9]||spr[0-4]

rD<—spr(n)

特殊功能寄存器（SPR）的编码如表7所示，将SPR的内容存入rD中。

表7 Power PC UISA SPR编码

	spr		寄存器名
编码n	spr[5-9]	spr[0-4]
1	00000	00001	XER
8	00000	01000	LR
9	00000	01001	CR

（2） 写入特殊功能寄存器指令mtspr

指令的编码格式：

指令的语法格式：

mtspr spr，rS

把rS的内容存入到指定的特殊功能寄存器中。

（3） 读取段寄存器指令mfsr

指令的编码格式：

指令的语法格式：

mfsr rD，SR

指令操作：

rD<—SEGREG（SR）

将段寄存器SR的内容读入rD中，这是一个超级用户层指令。

（1） 写入段寄存器指令mtsr

指令的编码格式：

指令的语法格式：

mtsr SR，rS

将rS中的内容读入SR，这是一个超级用户层指令。

（2） 间接读取段寄存器指令mfsrin

指令的编码格式：

指令的语法格式：

mfsrin rD，rB

指令操作：

rD<—SEGREG（rB[0-3]）

由rB寄存器的0～3位选取的段寄存器的内容，复制到rDzhong。这是一个超级用户层指令。

（3） 间接写入段寄存器指令mtsrin

指令的编码格式：

指令的语法格式：

mtsrin rS，rB

指令操作：

SEGREG（rB[0-3]）<—（rS）

将rS中的内容复制到由rB的0～3位所指定的寄存器中。这是一个超级用户层指令。

（4） 读取时基寄存器指令mftb

指令的编码格式：

指令的语法格式：

mftb rD，TBR

指令操作：

n<—tbr[5-9]||tbr[0-4]

if n=268 then

rD<—TBL

else if n=269 then

rD<—TBU

该指令的TBR编码如表8所示。

表8 指令mftb的TBR编码

	TBR		寄存器名	访问
编码	tbr[5-9]	tbr[0-4]
268	01000	01100	TBL	用户
269	01000	01101	TBR	用户

系统调用指令

（1） 系统调用指令sc

指令的编码格式：

指令的使用：

sc指令调用操作系统去执行服务程序。当控制返回到一个执行系统调用的程序时，寄存器的内容依赖于程序提供的系统所使用的寄存器的约定。

跟在sc指令后面的有效指令地址被放在SRR0中。MSR中的位0、5～9和16～31被放 在SRR1中对应的位置，SRR1中位1～4和10～15被设置为未定义值。当sc异常产生，异常处理程序更改MSR寄存器。异常处理程序到 MSR[IP]形成基址加0xC00偏移量形成的地址去取下一条指令。

受影响的寄存器有：

依赖于系统服务、SRR0、SRR1及MSR。

（2） 中断返回指令rfi

指令的编码格式：

指令操作：

MSR[16-23,25-27,30-31] <—SRR1[16-23,25-27,30-31]

NIA<—iea SRR0[0-29]||0b00

SRR1中的位0、5～9和16～31被放在MSR中对应的位置。如果新的MSR值没有使能任何未完的操作，则在MSR的控制下，从地址SRR0[0-29]||0b00取下一条指令。

指令的使用中受影响的寄存器为MSR。