中央处理器（CPU） R3000A
PSX采用的R3000A芯片有些小变动，由MIPS变成LSI，它是一个32位的缩减指令集控制器（RISC）处理器，主频是33.8688MHz，每秒钟能处理3千万条指令。它有4KB的指令缓存、1KB的数据缓存和传输率为132MB/秒的总线，内含一个算术/逻辑运算器（ALU）和一个移位器，但缺少一个浮点运算器（FPU）。在R3000A里，一个字是32位，半字是16位，字节是8位的。PSX里有2个协处理器Cop，Cop0是系统控制器，Cop1是图形处理器（GPU）。
指令缓存
（4KB缓存的管道尺寸为16字节）。可以获得80％左右的命中率，缓存是物理寻址和标识的。
数据缓存
（1KB缓存的管道尺寸为4字节）。也可以获得80％左右的命中率，也是物理寻址和标识的。这是写通缓存，可以保持缓存内容和主存内容一致，为了减少写数据时CPU的停顿，总线接口单元用了一个4深度的写缓冲器以CPU的速度来捕获地址和数据，允许用较慢的速度来写入主存而不影响CPU。
通用寄存器
R3000A使用32个32位的寄存器，一个32位的指令指针，两个32位的乘除寄存器，见下表：
| 寄存器号码 | 名字 | 用法 |
|---|---|---|
| R0 | ZR | 常量 0 |
| R1 | AT | 为汇编程序保留 |
| R2-R3 | V0-V1 | 计算结果和表达式赋值 |
| R4-R7 | A0-A3 | 自变量 |
| R8-R15 | T0-T7 | 临时变量 |
| R16-R23 | S0-S7 | 全局变量 |
| R24-R25 | T8-T9 | 额外的临时变量 |
| R26-R27 | K0-K1 | 为操作系统核心保留 |
| R28 | GP | 全局指针 |
| R29 | SP | 栈指针 |
| R30 | FP | 页面指针 |
| R31 | RA | 返回地址 |
乘除结果寄存器和指令指针
| 名字 | 描述 |
|---|---|
| HI | 乘法运算64位结果的高32位，或除法运算的余数 |
| LO | 乘法运算64位结果的低32位，或除法运算的商 |
| PC | 指令指针 |
尽管每个寄存器都有自己的名字，但它们都是一样的，除了2个：R0（ZR）是由硬件指定永远为0的；R31（RA）用于Link或Jump到子程序时保存返回地址，它可以象普通寄存器那样被其他指令读写。
R3000A指令集
指令编码是基于MIPS结构的，这表示了有三种类型指令编码：
I类型（Immediate立即）
| op | rs | rt | immediate |
|---|
J类型（Jump跳转）
| op | target |
|---|
R类型（Register寄存器）
| op | rs | rt | rd | shamt | funct |
|---|
其中：
| 名称 | 描述 |
|---|---|
| op | 6位的操作码 |
| rs | 5位的源寄存器指示器 |
| rt | 5位的目标寄存器或者跳转条件 |
| immediate | 16位的立即数，或者跳转或者替换地址 |
| target | 26位跳转目标地址 |
| rcl | 5位目标寄存器指示器 |
| shamt | 5位的移位总数 |
| funct | 6位的函数段 |
R3000A指令可以分为下面几个基本组：
装入/储存指令：在内存和通用寄存器之间移动数据，是I类型指令。唯一的寻址模式是寄存器＋带符号立即数偏移寻址，这使得可以直接使用3种不同的寻址模式：寄存器＋偏移、寄存器直接和立即数。
算术指令：对寄存器执行算术，逻辑和移位操作，当源操作数和结果都是通用寄存器时，是R类型；当源操作数中有一个是16位立即数时，是R类型指令。计算指令使用3个地址格式，所以操作不必影响到源寄存器的内容。
跳转和分支指令：改变程序的控制流。当跳转目标地址是联合一个26位立即数和4位指令指针得到的页面绝对地址，是J类型指令，用于调用子程序；当目标地址是通用寄存器中的32位值时，是R类型，通常用来返回和快速结束；分支指令是I类型，目标地址是指令指针＋16位偏移。跳转和链接指令在寄存器R31保存一个返回地址，通常用于调用子程序，子程序的返回地址就存在R31。
协处理器指令：执行协处理器集的操作。协处理器的装入和储存总是I类型；协处理器操作性指令是依赖于协处理器的格式。在R3000A中，系统控制协处理器（cop0）包含了内存管理和异常处理的寄存器。
特殊指令：执行多种任务，包括在特殊和通用寄存器之间移动数据、系统调用和断点操作，总是R类型的。
指令集
下面的表是R3000A的汇编指令。
装入和储存指令
| 指令 | 格式和描述 |
|---|---|
| Load Byte | LB rt, offset (base) 符号扩展16位偏移＋寄存器中的基址寻址 寻址字节符号扩展后装到rt |
| Load Byte Unsigned | LBU rt, offset (base) 符号扩展16位偏移＋寄存器中的基址寻址 寻址字节0扩展后装到rt |
| Load Halfword | LH rt, offset (base) 符号扩展16位偏移＋寄存器中的基址寻址 寻址半字符号扩展后装到rt |
| Load Halfword Unsigned | LHU rt, offset (base) 符号扩展16位偏移＋寄存器中的基址寻址 寻址半字0扩展后装到rt |
| Load Word | LW rt, offset (base) 符号扩展16位偏移＋寄存器中的基址寻址 寻址字装到rt |
| Load Word Left | LWL rt, offset (base) 符号扩展16位偏移＋寄存器中的基址寻址 寻址字左移位，使得寻址字节是字的左字节，然后合并到rt寄存器 |
| Load Word Right | LWR rt, offset (base) 符号扩展16位偏移＋寄存器中的基址寻址 寻址字右移位，使得寻址字节是字的右字节，然后合并到rt寄存器 |
| Store Byte | SB rt, offset (base) 符号扩展16位偏移＋寄存器中的基址寻址 储存rt寄存器的最低有效字节到寻址位置 |
| Store Halfword | SH rt, offset (base) 符号扩展16位偏移＋寄存器中的基址寻址 储存rt寄存器的最低有效半字到寻址位置 |
| Store Word | SW rt, offset (base) 符号扩展16位偏移＋寄存器中的基址寻址 储存rt寄存器的最低有效字到寻址位置 |
| Store Word Left | SWL rt, offset (base) 符号扩展16位偏移＋寄存器中的基址寻址 rt寄存器右移位，然后储存到寻址字节 |
| Store Word Right | SWR rt, offset (base) 符号扩展16位偏移＋寄存器中的基址寻址 rt寄存器左移位，然后储存到寻址字节 |
算术指令
ALU立即指令
| 指令 | 格式和描述 |
|---|---|
| ADD Immediate | ADDI rt, rs, immediate 寄存器rs加16位符号扩展数到寄存器rt。2补数溢出自陷 |
| ADD Immediate Unsigned | ADDIU rt, rs, immediate 寄存器rs加16位符号扩展数到寄存器rt。溢出不自陷 |
| Set on Less Than Immediate | SLTI rt, rs, immediate 比较16位符号扩展立即数和带符号32位整数rs，如果rs小于立即数，rt是1，否则是0 |
| Set on Less Than Unsigned Immediate | SLTIU rt, rs, immediate 比较16位符号扩展立即数和无符号32位整数rs，如果rs小于立即数，rt是1，否则是0。溢出不自陷 |
| AND Immediate | ANDI rt, rs, immediate 0扩展16位立即数‘与’寄存器rs到寄存器rt |
| OR Immediate | ORI rt, rs, immediate 0扩展16位立即数‘或’寄存器rs到寄存器rt |
| Exclusive OR Immediate | XORI rt, rs, immediate 0扩展16位立即数‘异或’寄存器rs到寄存器rt |
| Load Upper Immediate | LUI rt, immediate 16位立即数左移16位。设置字的最低有效16位为0，结果存到rt |
3操作数R类型指令
| 指令 | 格式和描述 |
|---|---|
| Add | ADD rd, rs, rt 寄存器rs＋rt，32位结果存到寄存器rd 2的补数溢出自陷 |
| ADD Unsigned | ADDU rd, rs, rt 寄存器rs＋rt，32位结果存到寄存器rd 不自陷 |
| Subtract | SUB rd, rs, rt 寄存器rs-rt，32位结果存到寄存器rd 2的补数溢出自陷 |
| Subtract Unsigned | SUBU rd, rs, rt 寄存器rs-rt，32位结果存到寄存器rd 不自陷 |
| Set on Less Than | SLT rd, rs, rt 比较寄存器rs和rt（32位带符号整数），如果rs小于rt，rd＝1，否则rt＝0 |
| Set on Less Than Unsigned | SLTU rd, rs, rt 比较寄存器rs和rt（32位无符号整数），如果rs小于rt，rd＝1，否则rt＝0 |
| AND | AND rd, rs, rt rs‘与’rt，结果存到rd |
| OR | OR rd, rs, rt rs‘或’rt，结果存到rd |
| Exclusive OR | XOR rd, rs, rt rs‘异或’rt，结果存到rd |
| NOR | NOR rd, rs, rt rs‘或非’rt，结果存到rd |
移位操作指令
| 指令 | 格式和描述 |
|---|---|
| Shift Left Logical | SLL rd, rt, shamt 寄存器rt左移shamt位，低位补0，32位结果存在rd |
| Shift Right Logical | SRL rd, rt, shamt 寄存器rt右移shamt位，高位补0，32位结果存在rd |
| Shift Right Arithmetic | SRA rd, rt, shamt 寄存器rt左移shamt位，符号扩展高位，32位结果存在rd |
| Shift Left Logical Variable | SLLV rd, rt, rs 寄存器rt左移，移位数是寄存器rs的低5位，低位补0，32位结果存在rd |
| Shift Right Logical Variable | SRLV rd, rt, rs 寄存器rt右移，移位数是寄存器rs的低5位，高位补0，32位结果存在rd |
| Shift Right Arithmetic Variable | SRAV rd, rt, rs 寄存器rt左移，移位数是寄存器rs的低5位，符号扩展高位，32位结果存在rd |
乘除运算指令
| 指令 | 格式和描述 |
|---|---|
| Multiply | MULT rs, rt 寄存器rs和rt作为2的补数相乘，64位结果存在寄存器HI/LO |
| Multiply Unsigned | MULTU rs, rt 寄存器rs和rt作为无符号数相乘，64位结果存在寄存器HI/LO |
| Divide | DIV rs, rt 寄存器rs和rt作为2的补数相除，32位商存在寄存器LO，32位余数存在寄存器HI |
| Divide Unsigned | DIVU rs, rt 寄存器rs和rt作为无符号数相除，32位商存在寄存器LO，32位余数存在寄存器HI |
| Move From HI | MFHI rd 移动寄存器HI的值到rd |
| Move From LO | MFLO rd 移动寄存器LO的值到rd |
| Move To HI | MTHI rd 移动寄存器rd的值到HI |
| Move To LO | MTLO rd 移动寄存器rd的值到LO |
跳转和转移指令
跳转指令
| 指令 | 格式和描述 |
|---|---|
| Jump | J target 左移26位target地址，加上PC的高4位，1个指令延时后跳转。 |
| Jump and Link | JAL target 左移26位target地址，加上PC的高4位，1个指令延时后跳转。下一个指令地址放到r31（链接寄存器） |
| Jump Register | JR rs 跳转到寄存器rs中的地址，1个指令延时 |
| Jump and Link Register | JALR rs, rd 跳转到寄存器rs中的地址，1个指令延时。下一个指令地址放到r31（链接寄存器） |
分支指令
| 指令 | 格式和描述 |
|---|---|
| . | 分支目标： 所有分支指令目标地址是这样计算的：指令地址加上16位偏移地址（左移2位后扩展符号到32位），全部的分支都是1个指令延时。 |
| Branch on Equal | BEQ rs, rt, offset 如果rs等于rt，转移到目标地址 |
| Branch on Not Equal | BNE rs, rt, offset 如果rs不等于rt，转移到目标地址 |
| Branch on Less than or Equal Zero | BLEZ rs, offset 如果rs小于等于0，转移到目标地址 |
| Branch on Greater Than Zero | BGTZ rs, offset 如果rs大于0，转移到目标地址 |
| Branch on Less Than Zero | BLTZ rs, offset 如果rs小于0，转移到目标地址 |
| Branch on Greater than or Equal Zero | BGEZ rs, offset 如果rs大于等于0，转移到目标地址 |
| Branch on Less Than Zero And Link | BLTZAL rs, offset 如果rs小于0，转移到目标地址。下一个指令地址存到r31 |
| Branch on greater than or Equal Zero And Link | BGEZAL rs, offset 如果rs大于等于0，转移到目标地址。下一个指令地址存到r31 |
特殊指令
| 指令 | 格式和描述 |
|---|---|
| System Call | SYSCALL 初始化系统调用自陷，立刻转移控制到异常处理 |
| Breakpoint | BREAK 初始化断点自陷，立刻转移控制到异常处理 |
协处理器指令
| 指令 | 格式和描述 |
|---|---|
| Load Word to Co-processor | LWCz rt, offset (base) 16位符号扩展偏移＋基址寻址 寻址字装到z协处理器单元的寄存器rt |
| Store Word from Co-processor | SWCz rt, offset (base) 16位符号扩展偏移＋基址寻址 z协处理器单元的寄存器rt存到内存寻址字 |
| Move To Co-processor | MTCz rt, rd 移动CPU寄存器rt到z协处理器单元的寄存器rd |
| Move from Co-processor | MFCz rt,rd 移动z协处理器单元的寄存器rd到CPU寄存器rt |
| Move Control To Co-processor | CTCz rt,rd 移动CPU寄存器rt到z协处理器单元的控制寄存器rd |
| Move Control From Co-processor | CFCz rt,rd 移动z协处理器单元的控制寄存器rd到CPU寄存器rt |
| Move Control To Co-processor | COPz cofun 协处理器z进行一个操作，R3000A的状态不会被协处理器改变 |
系统控制协处理器（COP0）指令
| 指令 | 格式和描述 |
|---|---|
| Move To CP0 | MTC0 rt, rd 储存CPU寄存器rt到CP0寄存器rd。这个命令跟在普通储存操作之后。 |
| Move From CP0 | MFC0 rt, rd 装载CP0寄存器rd到CPU寄存器rt |
| Read Indexed TLB Entry | TLBR 装载Index寄存器指定的TLB条目到EntryHi和EntryLo寄存器 |
| Write Indexed TLB Entry | TLBWI 装载EntryHi和EntryLo寄存器到Index寄存器指定的TLB条目 |
| Write Random TLB Entry | TLBWR 装载EntryHi和EntryLo寄存器到Random寄存器指定的TLB条目 |
| Probe TLB for Matching Entry | TLBP 装载和EntryHi和EntryLo匹配的TLB条目地址到Index寄存器，如果没有TLB条目匹配，设置Index寄存器的高顺序位 |
| Restore From Exception | RFE 恢复前一个中断掩码和状态寄存器的模式位到当前状态位，恢复旧的状态位到前一个状态位。 |
R3000A操作码编码
下面是MIPS结构的操作码编码
操作码
| 位 | 28...26 | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 38…29 | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
| 0 | SPECIAL | BCOND | J | JAL | BEQ | BNE | BLEZ | BGTZ |
| 1 | ADDI | ADDIU | SLTI | SLTIU | ANDI | ORI | XORI | LUI |
| 2 | COP0 | COP1 | COP2 | COP3 | ※ | ※ | ※ | ※ |
| 3 | ※ | ※ | ※ | ※ | ※ | ※ | ※ | ※ |
| 4 | LB | LH | LWL | LW | LBU | LHU | LWR | ※ |
| 5 | SB | SH | SWL | SW | ※ | ※ | SWR | ※ |
| 6 | LWC0 | LWC1 | LWC2 | LWC3 | ※ | ※ | ※ | ※ |
| 7 | SWC0 | SWC1 | SWC2 | SWC3 | ※ | ※ | ※ | ※ |
特殊
| 位 | 2…0 | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 5…3 | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
| 0 | SLL | ※ | SRL | SRA | SLLV | ※ | SRLV | SRAV |
| 1 | JR | JALR | ※ | ※ | SYSCALL | BREAK | ※ | ※ |
| 2 | MFHI | MTHI | MFLO | MTLO | ※ | ※ | ※ | ※ |
| 3 | MULT | MULTU | DIV | DIVU | ※ | ※ | ※ | ※ |
| 4 | ADD | ADDU | SUB | SUBU | AND | OR | XOR | NOR |
| 5 | ※ | ※ | SLT | SLTU | ※ | ※ | ※ | ※ |
| 6 | ※ | ※ | ※ | ※ | ※ | ※ | ※ | ※ |
| 7 | ※ | ※ | ※ | ※ | ※ | ※ | ※ | ※ |
条件跳转
| 位 | 8…16 | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 20…19 | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
| 0 | BLTZ | BGEZ | ||||||
| 1 | ||||||||
| 2 | BLTZAL | BGEZAL |
协处理器z
| 位 | 23…21 | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 25…24 | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
| 0 | MF | CF | MT | CT | ||||
| 1 | BC | ※ | ※ | ※ | ※ | ※ | ※ | ※ |
协处理器特殊操作
协处理器0（COP0）
| 位 | 2…0 | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 4…3 | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
| 0 | TLBR | TLBWI | TLBWR | |||||
| 1 | TLBP | |||||||
| 2 | RFE | |||||||
| 3 |