CPU內部的寄存器，機器代碼指令集以及指令與寄存器和狀態標志的交互方式都是相互交織的。

您可能還記得，我的背景愛好項目之一是構建4位HRRG計算機。在整個時間范圍內，這將實現為壁掛式玻璃前木柜的集合，每個木柜都包含計算機的一部分。每個機柜的功能將通過不同的實施技術實現，包括繼電器，真空管，晶體管和軟糖集成電路，以及磁，機械和氣動/液壓產品。

我在這個項目上的“犯罪伙伴”是我的好友EEWeb專家Joe Farr。Joe致力于創建將在PC上運行的計算機的虛擬表示形式。我們希望能夠在不久的將來使此HRRG仿真器可供任何人使用。同時，我目前正在討論“野獸”的物理實現。

實話實說，這個項目已經擱置了相當長的時間。實際上，直到我的好友James“ Chewy” Vorman才在2018年底向我發送電子郵件，說他正計劃建造4位計算機，并詢問我是否對喬和我當時的指令集有任何想法。促使他們采取行動。

在今年年初，我在“初次通過指令集”上發布了一篇專欄文章，這幾乎是喬和我在時間的迷霧中留下的東西的地方。從那時起，我們一直在反復地反復提出想法。除此之外，Joe啟動并運行了仿真器后，他很快就厭倦了用機器代碼編寫和輸入測試程序，這促使他創建了一個笨拙的HRRG終端和HRRG匯編器。

運行HRRG匯編程序的HRRG終端。（來源：喬·法爾）

當然，這不是真正的Sperry Univac Uniscope 200，它只是Joe決定將其朋友好友收藏中的一個圖像用作HRRG終端的背景，該終端（在此屏幕快照中）正在運行HRRG匯編程序。當我問喬為什么選擇這種設備時，他回答說有兩個原因。首先是右側的面板為他提供了足夠的空間來添加7段LED，常規LED，開關，磁盤驅動器和紙帶打孔器的圖像（老實說，我什至沒有意識到這些不是物理設備的一部分）；第二個原因是他太懶了，無法在自己的車間里搜尋成堆的設備來追蹤他的舊DEC VT100終端。

關鍵是，在創建諸如井字游戲（Tic-Tac-Toe）之類的程序時（如上面的屏幕截圖所示），喬發現我們的指令集提供了比我們完全掌握的功能更多的功能（這就是我們的優勢）。他還發現了一些需要“調整”以使情況變得更好的事情，例如當將INC和DEC指令應用于IX（索引）寄存器之類的12位寄存器時，它們會修改N狀態標志。

因此，為了使您了解最新信息，以下內容將介紹HRRG的CPU寄存器和指令集的當前運行狀態。

CPU寄存器

請記住，HRRG具有4位數據總線和12位地址總線。另外，我們使用術語nybble（或半字節）來指代4位值；同樣，我們使用“ $”字符表示十六進制值（例如，$ A），使用“％”字符表示二進制值（例如，％1010）。

為了使程序保持“均值”，我們決定將用戶可訪問的寄存器限制為1個半字節標識符，這意味著我們將自己限制為僅16個寄存器，如下所示：

CPU寄存器（來源：Max Maxfield）

一些早期的8位CPU具有一個稱為累加器（ACC）的特殊寄存器，該寄存器從內存中加載值，并存儲邏輯和算術運算的任何結果。其他CPU有兩個累加器ACCA和ACCCB，而其他CPU選擇了一堆通用寄存器。在我們的案例中，我們決定有六個通用4位寄存器R0至R5。我們還有兩個狀態寄存器S0和S1。

除了物理尋址邏輯寄存器PC，SP，IX，IV和TA外，我們還有三個虛擬寄存器CV，MD和MX。我們將看到這些虛擬寄存器如何在整個時間范圍內發揮其魔力。可以說我還沒有在其他任何地方見過像我們的虛擬寄存器概念這樣的東西。

狀態寄存器

如前所述，HRRG具有兩個狀態寄存器S0和S1。這些寄存器的內容如下所示。

狀態寄存器（來源：Max Maxfield）

大多數微處理器具有多個跳轉指令，例如JMP（無條件跳轉），JPN（如果為負則跳轉），JPNN（如果不是負則跳轉），JPZ（如果為零則跳轉），JPNZ（如果不為零則跳轉）等等。但是，通常只有一條JSR（跳轉到子例程）指令。

對于HRRG，我們只有一對JMP（跳轉）和JSR（跳轉到子例程）指令。但是，正如我們將看到的，這些指令的一個很酷的事情是它們的跳轉/不跳轉動作可以由兩個狀態寄存器中任何位的0/1值控制（在這種情況下， JMP和JSR指令將兩個4位狀態寄存器視為單個8位寄存器）。

N，Z，C和O標志以通常的方式運行（對于初學者，我們將在以后的專欄中更詳細地討論這些標志的操作）。

I（中斷屏蔽）標志的狀態決定了CPU是否將看到并響應外部中斷：此標志中的0表示CPU將不響應；否則標志將變為0。該標志中的1表示CPU將響應。該標志加電時包含0，由用戶（即用戶的程序）將其設置為1。如果CPU復位，則該標志將被清除為0。

H（停止）標志指示CPU是運行還是停止：該標志中的0表示CPU將運行；否則，CPU停止運行。該標志中的1表示CPU將停止操作。該標志加電包含0。由用戶決定是否在程序控制下將其設置為1。使暫停標志返回0的唯一方法是復位CPU或外部中斷喚醒CPU（假定中斷屏蔽標志設置為1）。

關于狀態寄存器S1的位2和3（組合的8位寄存器的位6和7）中的硬連接0和1值，如果選擇了1，則JMP和JSR指令將使用這些值來實現無條件跳轉，如果選擇了0，則為無條件跳轉（用于調試目的）。

指令集

這是開始變得有趣的地方，因為這是我們決定要支持的低級指令以及這些指令將如何與CPU寄存器和狀態標志交互的地方。

指令集。（來源：馬克斯·麥克菲爾德（Max Maxfield）

我知道，我知道，當您第一次看到它時，這確實有些令人生畏，但這主要是因為我們正試圖將大量信息塞入一個很小的空間中。

假設我們要減少通用寄存器R3的4位內容。在這種情況下，我們的指令將包含兩個半字節：$ 1 $ 3，我們可以將其寫為$ 13，其中$ 1是DEC（減量）指令的操作碼，而$ 3是指定寄存器R3的（目標）操作數。

現在假設我們要增加12位地址為$ 123的存儲單元的4位內容。在這種情況下，生成的機器代碼將是$ 0 $ E $ 1 $ 2 $ 3，我們可以將其寫為$ 0E123，其中$ 0是INC（增量）指令的操作碼，$ E是（目標操作數）指定虛擬寄存器MD（內存直接），$ 123是（附加目標操作數），格式為12位目標地址。

作為當前的最后一個示例，讓我們假設我們想將％1010的值（十六進制的$ A）移動（復制）到內存位置$ 324中。在這種情況下，生成的機器代碼將為$ F $ D $ E $ A $ 3 $ 2 $ 4，我們可以將其寫為$ FDEA321，其中$ F是MOV（移動）指令的操作碼，$ D是（源）操作數，指定虛擬寄存器CV（常數），$ E是（目標操作數），指定虛擬寄存器MD（內存直接），$ A（二進制的％1010）是（附加源操作數）的形式為4位常量值，$ 324是（附加目標操作數）的形式為12位目標地址。

我們將在接下來的兩列中回顧這些機器代碼指令和等效的匯編語言（相信我，當我們開始考慮匯編語言時，情況會變得更加清晰）。目前，請仔細閱讀并仔細考慮以下注意事項（其編號與上表中的編號匹配），其中對這些內容進行了非常詳細的總結。

＃1如果源是CPU的4位或12位物理寄存器之一，則不會有（附加操作數）。

＃2如果源是存儲位置（使用MD或MX虛擬寄存器指示），則將是一個3位地址。

＃3如果源是一個常量值（如CV虛擬寄存器所示），則如果目標是4位寄存器或存儲位置，則將是1個半字節值；如果目標是4位寄存器或存儲位置，則將是1個半字節值。否則，如果目標是12位寄存器，它將是3個字節的值。

＃4如果目標是CPU的4位或12位物理寄存器之一，則不會有（附加操作數）。

＃5如果目標是內存位置（如使用MD或MX虛擬寄存器指示的），則將是一個3位的地址。

＃6如果源是4位寄存器，則目標通常是4位寄存器或存儲器位置；否則，目標將是4位寄存器或存儲位置。如果源是4位寄存器，而目標是12位寄存器（PC，SP，IX，IV，TA）之一，則4位寄存器的內容將被移入（復制）到最小-目標寄存器的顯著半字節（LSN）；如果源是12位寄存器之一（PC，SP，IX，IV，TA），則目標通常是12位寄存器或存儲器位置（請參閱注釋7）；如果源是12位寄存器，而目標是4位寄存器，則12位寄存器的LSN的內容將被復制到4位寄存器中。

＃7如果將12位寄存器的內容復制到內存中，則目標操作數將是3個半字節字段的最低有效地址。如果將存儲器的內容復制到12位寄存器中，則源操作數將是3個半字節字段的最低有效地址。

＃8如果源是4位寄存器或存儲器位置，則將1個半字節值壓入堆棧，并且SP = SP +1；如果源是12位寄存器，則將3個半字節值壓入堆棧，并且SP = SP + 3;按下PUSH之后，堆棧指針將遞增。

＃9如果源是一個常數值，則源操作數將是1個半字節值，該值將被壓入堆棧，并且SP = SP + 1（在PUSH之后堆棧指針將遞增）。

＃10如果目標是4位寄存器或內存位置，則SP = SP – 1且將向堆棧彈出一個1字節的值（即，堆棧指針將在POP之前遞減）。如果目標是一個12位寄存器，則將從堆棧中彈出一個3位值（以SP = SP – 3結尾）。

＃11沒有RTS（“從子程序返回”）或RTI（“從中斷返回”）指令–通過使用POP指令從堆棧中檢索返回地址并將其加載到PC中，可以達到相同的效果。

＃12 JMP和JSR指令后跟控制小節，然后是3小節目標地址。控制半字節用于執行無條件跳轉或有條件跳轉。控制半字節的最低有效三位指向由S1和S0組成的8位狀態寄存器中的要測試的位；范圍是000到111（0到7）。假設控制半字節的最高有效位為0，則所選狀態位的值為1會導致跳轉；否則，該值將變為1。例如，JMP％0001 <目標地址>等效于“如果為零則跳轉”。相比之下，控制半字節最高有效位中的1將反轉跳轉的操作。例如，JMP％1001 <目標地址>等同于“如果不為零則跳轉”。請注意，狀態位7 [S1中的位3]是硬連線的1，

指令和狀態寄存器

最后（并非暫時），下表總結了執行各種指令影響狀態寄存器中標志的方式。

指令和狀態位（來源：Max Maxfield）

您可以想象，設計計算機是一個反復的過程，事實證明，擁有Joe的仿真器是無價的。例如，只有當Joe開始編寫一個播放井字游戲的程序時，我們才意識到，使用12-像IX（索引寄存器）這樣的位寄存器，因此我們將其添加到規范中（在物理實現中僅包含一件事。

以下注釋更詳細地說明了上表的內容：

＃1將目標值的最高有效位（MSB）復制到C標志中；同時，將C標志的原始內容復制到目標值的最低有效位（LSB）。

＃2將目標值的最低有效位（LSB）復制到C（進位）標志；同時，將C標志的原始內容復制到目標值的最高有效位（MSB）。

＃3如果比較的值相等，則Z標志設置為1，否則將其清除為0。

＃4被比較的值被認為是無符號整數。如果中的值大于中的值，則將C標志設置為1；否則，將C標志設置為1。否則清除為0。

＃5如果目標是狀態寄存器S1，則將從堆棧中加載其標志，并且不會影響S0的內容；如果目標是S0，那么將從堆棧中加載其標志；如果目標是其他任何4位位置（寄存器或內存），則N和Z標志將照常運行。

＃6這些標志對于4位目標照常工作，但有一個例外-如果目標是狀態寄存器S0或S1之一，則S0中的標志將不會自動更新；否則，這些標志將自動更新。如果源是12位寄存器，而目標是4位寄存器，則Z和N標志將基于12位寄存器的最低有效字節的內容（即，復制）；如果源是12位寄存器，而目標是存儲器，則將基于整個12位寄存器的內容設置Z標志，并且將基于N位的最高有效字節的內容設置N標志。 12位寄存器。

＃7將根據整個12位寄存器的內容設置Z標志，并根據12位寄存器的最高有效半字節的內容設置N標志。

編輯：hfy