理解x87浮点编程之一:物理资源

mik

这是根据AMD文档写的，如有不妥敬请指正！


一、X87 包括以下几个物理资源：

■浮点数据寄存器（X87 Data Registers）：包括 FPR0 ～ FPR7 共 8 个寄存器。
     这8个浮点寄存器是浮点数存放的物理存储。每个寄存器80位宽，也就是说，每个浮点数的长度是80位，这是Intel定义的独有的所谓扩展双精度（Double-Extended Precision ）。
     这8个浮点寄存器组织为Intel 独创的结构环形栈结构，相当于只有8个存储空间的栈结构。也具有内存栈结构的特性，也就是LIFO（后进先出）。由高（FPR7）向下（FPR0）生长。

■控制字寄存器（Control Word Register）：这个寄存器16位宽，这个寄存器非常重要，主要起了以下几个作用：
       ★        精度控制
       ★        舍入控制
       ★        异常位的控制

■状态字寄存器（Status Word Register）：这个寄存器16位宽，保存x87浮点处理器的重要状态。
    主要也是起以下几个作用：
   ★记录浮点寄存器栈顶TOP
     ★记录条件标志位（如：FUCOMP 指令比较后的状态）
   ★记录异常标志位

■标签字寄存器（Tag Word Register）：这个寄存器16位宽，只有一个作用，就是记录每1个浮点寄存器的使用情况，8个浮点寄存器分为占用2位，所以每个寄存器有4个状态，分别为：00有效（Valid）、01零值（Zero）、10特殊的（Spical）、11空闲（Empty）。

■指令指针寄存器（Instruction Pointer Register）：这个寄存器64位宽，保存最后一条非控制指令（non-Control Instruction）的指针，也就是说除了像FINIT、FSAVE这种x87控制指令外的x87非控制指令。

■数据指针寄存器（Data Pointer Register）：这个寄存器64位宽，保存最后一条非控制指令（non-Control Instruction）的操作数的指针。

■Opcode 寄存器：这个寄存器11位宽，保存最后一条非控制x87指令的Opcode码。


二、物理资源组织
1、x87浮点数据寄存器（FPR0 ～ FPR7）
     x87共有8个浮点寄存器，分别为FPR0 ～ FPR7，这8个寄存器被组织成一个栈结构，与内存栈结构具有相同的特性，所不同的是：内存栈结构以内存为载体，而浮点寄存器栈是以浮点寄存器为载体，并且，通过两条指令FINCSTP和FDECSTP可以回卷。
浮点寄存器栈只有8个存储单元，因此极有可能会溢出。当栈满时，FINCSTP 回卷，当栈空时，FDECSTP回卷。

      浮点寄存器栈的栈顶指针记录在状态寄存器的Bit11 ～ Bit13。共3位合计8个数值，分别为000 ～ 111，也就是0 ～ 7，指示当前的栈顶位置在哪个浮点寄存器上。假如为010，则浮点寄存器栈顶位于FPR2。执行一条FLD，相当于执行一条PUSH指令，状态寄存器的Bit11 ～ Bit13减1，变成了001，这时TOP指针指向FPR1。

2、控制字寄存器（FCW）

      如图，RC域控制舍入，PC域控制精度，BIT0 ～ BIT5 是异常位掩码，当这些掩码位清0时，发生相应的异常时，将会产生#MF （x87 Floating-Point Exception-Pending (Vector 16)）异常，这个是缺省的异常模式，当OM位置为1时，发生溢出异常，将调用#OF—Overflow exception (Vector 4)。

   精度控制：x87缺省的精度是扩展双精度（Double extended precision），分别为：
   00： 单精度（Single precision）
   01:   保留未用
   10： 双精度（Double precision）
   11： 扩展双精度（Double extended precision）

  舍入控制：是关于舍入控制方面的简单叙述，我暂时还未能理解透彻，所以不便论叙


3、状态字寄存器（FSW）

      如图，BIT0 ～ BIT5 对应相应的异常位，发生相当的异常时，相应位置1。
    SF域：栈错误异常，当栈满时，发生PUSH或Load Into 栈行为时产生栈错误异常；当栈空时，发生Pop行为，也就是有提领栈行为时产生栈错误异常。
    发生栈错误异常，也就是意味着发生栈溢出行为，分为两种情况：向上溢出（OverFlow）以及向下溢出（UnderFlow），处理器区别这两种溢出是根据C1域（条件1），当C1=1时，是向上溢出（overflow），当C1=0时，是向下溢出（underflow）。
    并且当SF异常时，处理器也置IE位为1，也属于无效操作异常（Invalid Operation Exception），SF异常在控制字寄存器中无相应掩码位。

    ES域：控制寄存器中相应异常掩码清0，并发生相应的异常时；或者，其它类型的异常发生时ES被置为1。
    条件码（C0～C3）：x87的条件码作用相当于x86中的Eflags寄存器的条件码的作用。
    栈顶指针（TOP）：栈顶指针000～111是x87浮点寄存器的索引值。共8个值，分别指示FPR0～FPR7，在汇编语法层，ST（0）表示栈顶


4、标签字寄存器（FTW）

      如图，标签字寄存器很简单，一目了然，每2位对应于一个浮点寄存器，处理器动态更新浮点寄存器的使用状态。当FTW寄存器为0时栈满，当FTW寄存器为FFFF时栈空。



(--未完--)

[ 本帖最后由 mik 于 2007-3-24 14:01 编辑 ]

cjaizss

我有空来补指令集，明天晚上吧
今天太晚了，睡觉了

mik

原帖由 cjaizss 于 2007-3-30 01:17 发表于 2楼  
我有空来补指令集，明天晚上吧
今天太晚了，睡觉了

呵呵，这样，那就等兄弟写指令部分。有劳兄弟~

我正写数据部分。我原先安排第2部分写数据，第3部分写指令，第4部分写实例。

cjaizss

在说明这些指令之前，我先做如下说明：
X87 fpu协处理器基于栈式设计，我们用%st(0)...%st(7)来表示，一共8个，%st(0)为栈顶，为3位栈指针寄存器所指。
既然是栈操作，那么就有进栈出栈操作。
进栈操作：操作后，新进栈的就存在%st(0),所有寄存器往后递推，原来%st(0)现在是%st(1),原来%st(1)现在是%st(2)...
出栈操作：操作后，所有寄存器往前递推，原来%st(1)现在是%st(0),原来%st(2)现在是%st(1)...
所有浮点寄存器长80位，为扩展精度，另外，单精度32位，双精度64位。
以下指令说明中Addr代指地址

[ 本帖最后由 cjaizss 于 2007-3-30 23:38 编辑 ]

cjaizss

以下为压栈
指令：
        flds Addr
        将Addr处所存单精度数压栈
指令：
        fldl Addr
        将Addr处所存双精度数压栈
指令：
        fldt Addr
        将Addr处所存扩展精度数压栈
指令：
        fildl Addr
        将Addr处所存有符号4字节整型转换为浮点数压栈
指令：
        fildll Addr
        将Addr处所存有符号8字节整型转换为浮点数压栈
指令：
        fld %st(i)
        将%st(i)寄存器所存扩展精度数压栈

以下为栈顶（%st(0)）保存到内存，出栈与否可选择（最后带p字母的代表出栈）
指令：
        fsts Addr
        单精度数保存到Addr,不出栈
指令：
        fstps Addr
        单精度数出栈,保存到Addr
指令：
        fstl Addr
        双精度数保存到Addr,不出栈
指令：
        fstpl Addr
        双精度数出栈,保存到Addr
指令：
        fstt Addr
        扩展精度数保存到Addr,不出栈
指令：
        fstpt Addr
        扩展精度数出栈,保存到Addr
指令：
        fistl Addr
        将扩展精度取整之后，保存到Addr处4位有符号整数，不出栈
指令：
        fistpl Addr
        将扩展精度取整之后，保存到Addr处4位有符号整数，出栈
指令：
        fistll Addr（我记得有，但是需要硬件支持）
        将扩展精度取整之后，保存到Addr处8位有符号整数，不出栈
指令：
        fistpll Addr（我记得有，但是需要硬件支持）
        将扩展精度取整之后，保存到Addr处8位有符号整数，出栈
指令：
        fst %st(i)
        将%st(0)复制到%st(i),不出栈
指令：
        fstl %st(i)
        将%st(0)复制到%st(i),出栈（注意：这里%st(i)是当前%st(i),不是%st(0)出栈后的%st(i)）
                                           [to be continued]

[ 本帖最后由 cjaizss 于 2007-3-31 00:16 编辑 ]

cjaizss

特殊值压栈指令
指令：
        fldz
        将0压栈       
指令：
        fld1
        将1压栈
指令：
        fldpi
        将圆周率PI压栈
指令:
        fldl2t
        将以2为底10的对数压栈
指令：
        fldl2e
        将以2为底e的对数压栈
指令：
        fldlg2
        将以10为底2的对数压栈
指令：
        fldln2
        将2的自然对数压栈

居然没有找到压e的指令。
           [to be continued]

交换指令
指令：
        fxch
        交换%st(0)和%st(1)

[ 本帖最后由 cjaizss 于 2007-4-3 20:41 编辑 ]