carina.md

1stアーキテクチャ: Carina

名前の由来

全天で2番目に明るいカノープスの学名(Carinae)から。「竜骨」という意味（りゅうこつ座のα星）。 ちなみに全天で太陽の次に最も明るいのはシリウスだが、見かけの等級が大きく絶対等級はそれほど大きくない。

アーキテクチャ詳細

• 32bitプロセッサ(命令長、レジスタ長は基本的に32bit)

レジスタセット

• General Purpose Register × 32
  • $zeroは定数の0
• Floating Point Register × 32
• Comparison Status
  • 1bitの比較結果格納用レジスタ, true/false
• 例外用レジスタ ... Cause & Status
• Program Counter

命令セット

(!)がついている命令はMIPSには存在しない命令

コア命令セット

(MIPSでは)1clockで終了

• add
• addi
• and
• andi
• beq
• bne
• j (アドレス直接指定でジャンプ)
• jal (戻りアドレスをr31に格納してジャンプ)
• jr (レジスタに指定した番地にジャンプ)
• jral(!) (戻りアドレスをr31に格納してレジスタに指定した番地にジャンプ)
• lw (disp付き32bitロード命令)
• nor
• or
• ori
• slt (set less than)
• slti
• sll (shift left logical)
• srl (shift right logical)
• sw (disp付き32bitストア命令)
• sub
• nop(!)
• hlt(!)
• in(!)
  • ブロッキングでRS-232C受信
  • 受信キューが空の場合はブロッキング
• out(!)
  • ノンブロッキングでRS-232C送信
• asr.[eq|ne|lt|le](!)
  • アサーション命令
  • 基本はc.x.sと同じだが、false時にエラー終了し、その時点での全レジスタ値をデバッグ送信する
• asr.[eq|ne|lt|le].s(!)
• syscall

算術コア命令セット

(MIPSでは)2clock以上かかる

• bclt
• bclf
• div
• add.s
  • add single = 32bit fadd
• c.[eq|lt|le].s
  • compare single, 3種類の比較方法
• mul.s
• inv.s(!)
• sub.s
• lw.s(lwcl)
• mult
• sw.s(swcl)

分岐

無条件分岐

• jとjrはオペランドに指定したアドレスに無条件分岐
• jal(jump and link)はr31に戻りアドレス(pc+4)を格納してアドレスにジャンプする

条件付き分岐

• 等値性に基づいて分岐するときはbeqとbneを使う
• 非等値性に基づいて分岐するときはslt系列を使ってオペランドを比較し、その結果を0/1と比較する

関数呼び出しと分岐

関数の呼び出しには「末尾呼び出し/not 末尾呼び出し」「直接呼び出し / クロージャ呼び出し」の計4種類がある。 それぞれ適切な分岐命令で実現することができる。

• 末尾 + 直接呼び出し … j
• 末尾 + クロージャ … jr
• 非末尾 + 直接呼び出し … jal
• 非末尾 + クロージャ … jral

呼び出し規約

jalとjrを用いたbranch and link

命令のバイトコード

MIPSに存在する命令はMIPSのバイトコードに準拠する。それ以外の命令について、バイトコードを示す。

• nop
  • syntax sugar(適当にadd r0等に翻訳)
• hlt
  • 111...11
• jral
  • R: | 0x00(6bit) | reg(5bit) | ignore(15bit) | 0x09(5bit) |
• in
  • R: | 0x1A(6bit) | ignore(5bit) | reg(5bit) | ignore(16bit) |
• out
  • R: | 0x1B(5bit) | 00000 | reg(5bit) | ignore(16bit) |
• asr.[eq|ne|lt|le]
  • R: | 0x1C(5bit) | r1(5bit) | r2(5bit) | ignore(10bit) | op(6bit) |
• asr.[eq|ne|lt|le].s
  • FR: | 0x1D(5bit) | 0x10(5bit) | f1(5bit) | f2(5bit) | ignore(5bit) | op(6bit) |
• syscall
  • R: | 0x1E(5bit) | - (5bit) | - (5bit) | - (5bit) | - (5bit) | vector(6bit) |
• inv.s
  • FR: | 0x11(5bit) | 0x10(5bit) | f1(5bit) | ignore(5bit) | fdst(5bit) | 0x03(6bit) |

メモリ空間のセグメンテーション

• .text
• .data
• スタック

の順でSRAMに割り当てる。スタックはSRAMの最後尾から定位アドレスへ伸びる。

SRAMの先頭からBlock RAMのサイズ分だけの領域アドレスはBlock RAMとバイパスがなされており、この領域のアドレスにアクセスしようとした場合はBRAMにアクセスされるようになる。 この領域は主に.textを割りつけるのに使う。

実行ファイル形式とプログラムロード

実行ファイルフォーマット(仮称CARN)

• ヘッダ(16B)
  • magic number "CARN" (4B)
  • .text size (4B)
  • .data size (4B)
  • .entry point addr (4B)
• .text
• .data

プログラムロード

プロセッサを起動してまずCARNヘッダが送信されてくるのをwaitする。 ヘッダを受け取った後は.textサイズ、.dataサイズに従って残りの部分をロードし、上述の通りメモリに割り当てる。