CPU

Центральным процессором PlayStation является MIPS R3000, 32-битный RISC-микропроцессор, реализующий ISA MIPS I. CPU работает на частоте 33,87 МГц, имеет 4 KiB кэша инструкций и не имеет кэша данных (вместо него используется 1 KiB «быстрой памяти», известной как Scratchpad).

Архитектура MIPS была разработана в Стэнфордском университете (США) под руководством Джона Хеннесси в первой половине 1980-х годов. MIPS Computer Systems была основана для коммерциализации этого проекта. В 1985 году вышла первая коммерческая реализация процессора - R2000, впоследствии доработанная в 1988 году, получив название R3000.

R3000 имеет 32 регистра общего назначения:

• $0 - r0 - всегда равен нулю
• $1 - at - временные данные для некоторых псевдоинструкций ассемблера
• $2..$3 - v0..v1 - возвратные значения процедур
• $4..$7 - a0..a3 - аргументы процедур
• $8..$15 - t0..t7 - переменные
• $16..$23 - s0..s7 - статические переменные процедур
• $24..$25 - t8..t9 - переменные
• $26..$27 - k0..k1 - зарезервированы для BIOS
• $28 - gp - глобальный указатель
• $29 - sp - стековый указатель. Содержит первый свободный адрес на стеке
• $30 - fp/s8 - указатель на фрейм
• $31 - ra - адрес возврата. Переход по этому адресу осуществляет возврат из процедуры.

Особые регистры:

• hi, lo - результат целочисленного умножения/деления (верхняя и нижнняя части)
• pc - программный счетчик.

O32 ABI:

• $2..$3 (v0..v1) - возвратные значения
• $4..$7 (a0..a3) - аргументы
• $29 - указатель на стек
• $31 - адрес возврата.

Если функция использует более 4 32-битных аргументов, 5-й аргумент и далее кладутся на стек.

Арифметика:

• add $r, $a, $b - сложение. $r = $a + $b
• addu $r, $a, $b - беззнаковое сложение. $r = $a + $b
• addi $r, $a, imm - сложение с константой. $r = $a + imm
• addiu $r, $a, imm - беззнаковое сложение с константой. $r = $a + imm
• sub $r, $a, $b - вычитание. $r = $a - $b
• subu $r, $a, $b - беззнаковое вычитание. $r = $a - $b
• mult $a, $b - умножение. $a * $b
• multu $a, $b - беззнаковое умножение. $a * $b
• div $a, $b - деление. $a / $b
• divu $a, $b - беззнаковое деление. $a / $b

Сравнение:

• slt $r, $a, $b - проверка условия «меньше». $r = (int)$a < (int)$b
• slti $r, $a, imm - проверка условия «меньше» с константой. $r = (int)$a < imm
• sltiu $r, $a, imm - беззнаковая проверка условия «меньше» с константой. $r = $a < imm

Побитовые операции:

• and $r, $a, $b - побитовое «И». $r = $a & $b
• andi $r, $a, imm - побитовое «И» с константой. $r = $a & imm
• or $r, $a, $b - побитовое «ИЛИ». $r = $a | $b
• ori $r, $a, imm - побитовое «ИЛИ» с константой. $r = $a | imm
• xor $r, $a, $b - исключающее «ИЛИ». $r = $a ^ $b
• nor $r, $a, $b - отрицающее «ИЛИ». $r = !($a | $b)
• sll $r, $a, imm - логический сдвиг влево на константное значение. $r = $a « imm
• sllv $r, $a, $b - логический сдвиг влево на переменное значение. Значение сдвига маскируется на 5 бит. $r = $a « ($b & 0x1f)
• slr $r, $a, imm - логический сдвиг вправо на константное значение. Верхние биты результата заполняются нулями. $r = $a » imm
• srlv $r, $a, $b - логический сдвиг вправо на переменное значение. Верхние биты результата заполняются нулями. Значение сдвига маскируется на 5 бит. $r = $a » ($b & 0x1f)
• sra $r, $a, imm - арифметический сдвиг вправо на константное значение. Верхние биты результата заполняются битом знака входного значения. $r = (int)$a » imm
• srav $r, $a, $b - арифметический сдвиг вправо на переменное значение. Верхние биты результата заполняются битом знака входного значения. Значение сдвига маскируется на 5 бит. $r = (int)$a » ($b & 0x1f)

Чтение и запись памяти:

Внимание! Инструкции доступа к оперативной памяти требуют выровненные адреса. Доступ к слову (word) требует выравнивание по 4 байта, доступ к полуслову (half-word) требует выравнивание по 2 байта. Использование невыровненных адресов приведет к исключению шины.

• lw $r, imm($a) - загружает слово. $r = $a + imm
• lh $r, imm($a) - загружает полуслово. $r = $a + imm
• lhu $r, imm($a) - загружает беззнаковое полуслово. $r = $a + imm
• lb $r, imm($a) - загружает байт. $r = $a + imm
• lbu $r, imm($a) - загружает беззнаковый байт. $r = $a + imm
• lwl $r, imm($a) - загружает старшие байты слова по невыровненному адресу
• lwr $r, imm($a) - загружает младшие байты слова по невыровненному адресу
• sw $r, imm($a) - сохраняет слово. $a + imm = $r
• sh $r, imm($a) - сохраняет полуслово. $a + imm = $r
• sb $r, imm($a) - сохраняет байт. $a + imm = $r
• lui $r, imm` - загружает константу в старшие 16 бит слова

Инструкции загрузки не останавливают исполнение программы до тех пор, пока данные не будут доступны. Поэтому, если следующая инструкция зависит от загруженных данных, необходимо вставить слот задержки.

Безусловный переход:

• j imm - безусловный переход по константному адресу
• jr $r - безусловный переход по переменному адресу
• jal imm - безусловный переход по константному адресу с сохранением адреса возврата в $31
• jalr $r - безусловный переход по переменному адресу с сохранением адреса возврата в $31
• jalr $r, $a - двухадресная форма jalr. Позволяет задать регистр для сохранения адреса возврата

Условный переход (ветвление):

• beq $r, $a, imm - переход по константному адресу при равенстве операндов
• bne $r, $a, imm - переход по константному адресу при неравенстве операндов
• bgez $r, imm - переход по константному адресу, если операнд больше или равен нулю
• bltz $r, imm - переход по константному адресу, если операнд меньше нуля
• bgezal $r, imm - переход по константному адресу, если операнд больше или равен нулю, с сохранением адреса возврата в $31
• bltzal $r, imm - переход по константному адресу, если операнд меньше нуля, с сохранением адреса возврата в $31

Псевдоинструкции:

• li $r, imm - загружает 32-битную константу. Если значение длиннее 16 бит, инструкция транслируется в lui и ori. Если значение умещается в 16 бит и не имеет знака, транслируется в ori. Если значение умещается в 16 бит и имеет знак, транслируется в addiu с нулевым первым операндом
• nop - то же самое, что sll $0, $0, 0 (такой вариант удобен тем, что в машинном коде выглядит как 0x00000000). Инструкция-филлер, известная также как «слот задержки».