§ Изменение концепции

Ранее я говорил о том, что делаю процессор 8088, основываясь на 8-битной шине данных. Так вот, посмотрел на то, сколько тратится тактов на каждую инструкцию и сильно, очень сильно разочаровался в таком подходе. Мне бы хотелось сделать процессор следующим образом:

• Шина 32-х битная
• Инструкции могут быть не только 8086, но и поддерживать 80186
• Инструкция будет загружаться в "очередь инструкции" каждый раз, считывая до 6 байт
• Исполнение инструкции не обязательно будет находится в posedge clock, но часть его вынесена в always @*-секцию
• Некоторые простые инструкции теперь могут выполняться за 1Т
• Байт modrm будет декодироваться полностью за 1Т

Но я не буду делать это, просто хочу немного отойти от темы и посмотреть, как можно декодировать инструкции еще.

§ Определение длины инструкции

У каждой инструкции есть своя длина. Чтобы определить длину инструкции, достаточно лишь знать ее опкод и, если есть, байт modrm. В таблице ниже я приведу карту базового набора инструкции.

	00	01	02	03	04	05	06	07	08	09	0A	0B	0C	0D	0E	0F
00					1	2							1	2
10					1	2							1	2
20					1	2							1	2
30					1	2							1	2
40
50
60									2	2	1	1
70	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1
80	1	2	1	1
90											4
A0	2	2	2	2					1	2
B0	1	1	1	1	1	1	1	1	2	2	2	2	2	2	2	2
C0	1	1	2				1	2	3		2			1
D0					1	1
E0	1	1	1	1	1	1	1	1	2	2	4	1
F0							1	2

Там, где опкод помечен зеленым, это значит, что за ним идет байт modrm, а значит, что инструкция как минимум содержит в себе два байта, но может и больше, потому что все определяется байтом modrm - там может быть считывание 1-байтного или 2-байтного смещения. В ячейках есть цифры 1 или 2, которые означают размер непосредственного значения (immediate), идущего за опкодом и байтом modrm, если есть. В случае когда нет ни байта modrm, ни immediate, то такой опкод является одиночным и занимает 1 байт.
Для этой цели я создам модуль в файле cpu_isize.v:

1// verilator lint_off WIDTH
2// verilator lint_off CASEX
3// verilator lint_on  CASEINCOMPLETE
4
5module cpu_isize
6(
7    input       [15:0]  op_queue,
8    output reg          op_modrm_byte,
9    output reg          op_modrm_mem,
10    output reg  [1:0]   op_modrm_disp,
11    output reg  [2:0]   op_imm_size
12);
13
14endmodule

Сверху закомментированы указания верилятору о том, что не надо предлагать casez и не проверять несоответствия ширины разрядности.
В качестве входного "аргумента" предлагается op_queue (48 бит или 6 байт), состоящего из опкода и возможного байта modrm, то есть, два байта. Опкод декодируется однозначно, а байт modrm просматривается только тогда, когда он в опкоде есть.
На выходе бит op_modrm_byte сигнализирует о том, что опкод имеет байт modrm, и потому надо будет проверять то, что на выходе op_modrm_disp, там может быть значение от 0 до 2. Независимо от modrm-байта, для каждого опкода также генерируется значение op_imm_size от 0 до 4 — количество байт непосредственного значения. Непосредственным значением также может быть 4-байтный переход по длинному адресу инструкции jmp far segment:offset или call far segment:offset.
Выход op_modrm_mem если 1, то значит, что в качестве операнда используется чтение из памяти.
Код, который расшифровывает наличие байта modrm, достаточно простой:

1
2// Определить наличие байта modrm
3always @* begin
4
5    // Наличие байта ModRM
6    casex (op_queue[7:0])
7    8'b00xx_x0xx, // ALU mrm
8    8'b0110_001x, // BOUND, ARPL
9    8'b0110_10x1, // IMUL
10    8'b1000_xxxx, // GrpArith,TEST,MOV,LEA,POP
11    8'b1100_000x, // GrpShift
12    8'b1100_01xx, // GrpShift
13    8'b1101_00xx, // LES,LDS,MOV
14    8'b1101_1xxx, // ESC, GrpMisc
15    8'b1111_x11x: op_modrm_byte = 1'b1;
16    default:      op_modrm_byte = 1'b0;
17    endcase
18
19end

В самом деле, это весь набор кодов для того, чтобы расшифровать, есть ли байт modrm или нет у опкода, но, опкод должен быть только из базового набора, без 0F-префикса.
Как ранее и говорилось, если у опкода есть байт modrm, то надо проверить, есть ли у него смещения при получении адреса памяти, где будет располагаться операнд.

1op_modrm_disp   = 2'b00;
2op_modrm_mem    = op_modrm_byte && op_queue[15:8] != 3'b11;
3
4// Размер disp [0..2]
5if (op_modrm_byte) begin
6
7    casex (op_queue[15:8])
8    8'b00_xxx_110,
9    8'b10_xxx_xxx: op_modrm_disp = 2'h2;
10    8'b01_xxx_xxx: op_modrm_disp = 2'h1;
11    default:       op_modrm_disp = 2'b0;
12    endcase
13
14end

Сканирование дополнительных 2-х байт может быть только в случае если 1) используется offset16, 2) есть 16-битное слагаемое в вычислении эффективного адреса. Для считывания однобайтного знакового смещения есть mod=01, ну и для всех остальных будет 0, нет дополнительного смещения.
А теперь будет приведен код для самой значительной части, расчет количества байт, необходимых для непосредственного операнда:

1casex (op_queue[7:0])
2    // Однобайтные
3    8'b00xx_x100, 8'b0110_101x, 8'b0111_xxxx, 8'b1000_00x0,
4    8'b1000_0011, 8'b1010_1000, 8'b1011_0xxx, 8'b1100_000x,
5    8'b1100_0110, 8'b1100_1101, 8'b1101_010x, 8'b1110_0xxx,
6    8'b1110_1011:
7        op_imm_size = 2'h1;
8    // Двухбайтные
9    8'b00xx_x101, 8'b0110_100x, 8'b1000_0001, 8'b1010_00xx,
10    8'b1010_1001, 8'b1011_1xxx, 8'b1100_0010, 8'b1100_0111,
11    8'b1100_1010, 8'b1110_100x:
12        op_imm_size = 2'h2;
13    // ENTER i16,i8
14    8'b1100_1000:
15        op_imm_size = 2'h3;
16    // JMP|CALL far
17    8'b1001_1010, 8'b1110_1010:
18        op_imm_size = 3'h4;
19    // TEST rm, i8/i16
20    8'b1111_011x:
21        if (op_queue[13:12] == 2'b00)
22            op_imm_size = op_queue[0] + 1'b1;
23    default:
24        op_imm_size = 1'b0;
25endcase

Вначале здесь выбираются такие маски опкодов, которые отвечают за 1,2,3,4-байтные случаи, но в конце видно, что есть специальные опкоды F6,F7, у которых имеется номер функции в байте modrm. Если этот номер функции 000 или 001, то это — инструкция TEST с непосредственным операндом. Для F6 это будет один байт, для F7 - два байта. Во всех остальных случаях, кроме описанных здесь, непосредственное значение не используется.
В данный момент материал находится в стадии разработки, поэтому пока что на этом все.
Я заканчиваю эту часть и начинаю следующую. У меня ранее был разработан процессор, который работает, используя 32-х битные операнды, так что теперь я просто буду объяснять то, как он работает.