自定义指令集

如何解决自定义指令集

我最近看到了一个视频，它解释了如何制作自定义指令集（只是概念......它是如何工作的）。该视频是一个系列的一部分，该系列共有 3 个视频：“如何制作自定义指令集”、“如何为该自定义指令集制作汇编程序”，第三个视频是“如何模拟自定义指令集”放”。不幸的是，第三个视频从未发布，所以我去看看我是否可以自己做。经过我的研究，我很不确定。制作自定义指令集是否可行？我如何模仿他们？如果我真的想运行它，我需要特定的硬件吗？我如何获得此硬件？

PS：我看过的视频：1st video、2nd video。（点击它们）

解决方法

可以通过多种方式进行仿真：

解释器循环

该处理器的解释器循环如下所示：

uint16_t memory [ 65536 ];
uint16_t registerFile [ 7 ];
uint16_t pc = 0;
for(;;) {
    uint32_t ix = (memory [ pc ] << 16) + memory [ pc + 1 ]; // instruction fetch (32-bits)
    pc += 2;  // advance two words worth for next instruction as default
    switch ( ix >> 24 ) {
    case 0x00 : // Load R,Immediate
        uint16_t imm = ix & 0xFFFF;
        int regNumber = (ix >> 16) & 0x7;
        registerFile [ regNumber ] = imm;
        break;
    // other opcodes handled by cases
        
    }
}

您将对自定义处理器进行调整，例如处理器是字节可寻址还是仅字可寻址；无论是大端还是小端等等。

各种形式的翻译

我们可以将一种形式的机器代码翻译成另一种形式的机器代码，即从自定义指令集到现有指令集。实际翻译需要将自定义指令集的有状态特征映射到现有指令集的有状态特征，以及机器代码操作对这些有状态资源的映射。

由于机器代码程序可以执行间接分支，其操作难以静态预测，因此翻译解决方案可能包括映射表，以便在给定模拟程序计数器的情况下查找翻译中的位置。

机器代码程序也可能（间接）从代码存储器中加载，因此原始机器代码程序也可能保留在翻译中。

有时翻译也或多或少是动态完成的，如果自定义处理器允许写入代码内存并稍后执行新代码，这可能是必要的。

制作自定义指令集是否可行？

是的，当然！你可以做任何你喜欢的东西！（认真地）:) 我假设您对“自定义”和“指令集”有特定的定义。通过“自定义”，对我来说这意味着它是一个未在已知硬件上实现的指令集。自定义指令集可能真的意味着自定义 CPU 架构。（这将引出您最后一个问题的答案，我将对此进行解答。）如果您对“自定义”有不同的定义，那么您应该分享它。通过“指令集”，我假设您的意思是在功能和范围上与现有 CPU 指令集相似的命令（而不是更极端不同或奇特的指令）。但无论哪种情况，答案仍然是“是”。

我如何模仿他们？

Erik 非常翔实的回答为这个问题提供了很多观点。我将专注于一个特定的方面。假设您正在考虑在标准 von Neumann architecture 的上下文中运行的自定义指令集，该指令集在具有程序计数器的线性内存阵列中运行，那么您的仿真将是一个伪装成 CPU 的软件.因此，您将：

定义表示 CPU 状态的变量：PC（程序计数器）、寄存器（如果您的自定义指令集支持它们）、CPU 状态位（如果您的自定义指令集和架构使用它们 - 可能会），堆栈指针（如果您的指令集和架构有堆栈）等。
模拟指令和架构的操作。为此，您必须考虑如何启动指令集。例如，某些 CPU 在上电时会从特定的内存位置启动。也许你会做类似的事情。您将在仿真软件中定义一个数组，代表您的自定义 CPU 的内存。当您的仿真开始（您的自定义 CPU 启动）时，您会将程序计数器和其他状态变量初始化为它们的初始条件（由您定义），并开始像 CPU 一样（获取/执行周期）访问内存（您的数组）中的指令).

如果我真的想运行它，是否需要特定的硬件？我如何获得此硬件？

如果是自定义指令集，那么我会认为直接执行它的硬件不存在，至少根据我对“自定义”的定义（否则，它以什么方式自定义？）。我对“指令集”的定义是，它由“接近硬件”的指令组成，即与硬件直接知道如何执行的低级操作一一对应。但如前所述，您可以使用模拟器执行指令。 :)

回应评论中的其他问题。

但是有没有办法制作我自己的硬件？（如果可能的话很容易:)

是的，当然有一种方法可以设计和创建运行自定义指令集所需的硬件。容易吗？这取决于你的技能水平。您可以在网上找到有关如何从头开始设计基本计算机的资源。尽管对于基本 CPU 来说，各个概念并不难理解，但这并不是一项微不足道的任务，因为要实现的部分很多。您基本上可以从头开始设计自己的计算机。

如果您从硬件角度对此主题感兴趣，我强烈建议您在 YouTube 上查找 Ben Eater。他有许多优秀的教学视频，讨论如何创建 CPU 的各个部分。

如何解决自定义指令集

解决方法

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