20145330 第6周《信息安全系统设计基础》

20145330 第6周《信息安全系统设计基础》

本章内容是处理器体系结构，重点掌握ISA，并能举一反三；本章带着大家设计并实现了一个结合CISC和RISC思想的处理器Y86，一个类IA32体系的处理器；ISA在编译器编写者和处理器设计者之间提供了一个抽象。

教材学习内容总结

• ISA(指令集体系结构）
  • 一个处理器支持的指令和指令的字节级编码

4.1 Y86指令集体系结构

• 有8个程序寄存器：%eax、%ecx、%edx、%ebx、%esi、%edi、%esp、%ebp
  • 处理器的每个程序寄存器存储一个字，寄存器%esp被入栈、出栈、调用和返回指令作为栈指针
  • 有3个一位的条件码：ZF、OF、SF
• Y86指令集
  • movl指令分成了4个不同的指令：irmovl、rrmovl、mrmovl、rmmovl
    • 源和目的:源可以是立即数（i）、寄存器（r）、存储器（m）。目的可以是寄存器（r）、存储器（m）。
  • 四个整数操作指令，OPI：
    • addl、subl、andl、xorl
    • 它们只对寄存器数据进行操作
    • 这些指令会设置3个条件码：ZF、OF、SF
  • 7个跳转指令（jXX):
    • jmp、jle、jl、je、jne、jge、jg
    • 根据分支指令的类型和条件码的设置来选择分支
  • 6个条件传送指令（cmovXX):
    • cmovle、cmovl、cmove、cmovne、cmovge、cmovg
    • 这些指令的格式与rrmovl一样，但是只有当条件码满足所需要的约束时，才会更新目的寄存器的值
  • call指令将返回地址入栈，然后跳到目的地址。ret指令从这样的过程调用中返回
  • pushl和popl指令实现了入栈和出栈
  • halt指令停止指令的执行
• 指令编码
  • 每条指令需要1-6个字节不等
  • 每条指令的第一个字节表明指令的类型：这个字节分为两个部分：高4位是代码部分、低四位是功能部分
  • 练习习题4.14.2
• Y86异常
  • AOK:正常操作
  • HLT：处理器执行halt指令
  • ADR：遇到非法地址
  • INS:遇到非法指令
• Y86程序
  • 这个程序中，以“.”开头的词是汇编器命令

4.2 逻辑设计和硬件控制语言HCL

• HCL语言只表达硬件设计的控制部分，只有有限的操作集合。
• 逻辑门
  • AND：&&
  • OR:||
  • NOT:!
• 简单组合电路
  • 习题4.8
• 多路复用器{MUX）
  • 多路复用器根据输入控制信号的值，从一组不同的数据信号中选出一个
  • 在这个简单的多路复用器中，两个数据信号是输入位a和b，控制信号是输入位s
  • bool out=(s&&a)||(!s&&b)
• 字级的组合电路和HCL整数表达式
  • 位级实现
  • 字级抽象
  • bool Eq=(A==B)
• HCL中，多路复用函数是用情况表达式来描述的
  • 这个表达式包含一系列情况，每种情况i都有一个布尔表达式selecti和一个整数表达式expri，前者表明什么时候该选择这种情况，后者指明的是得到的值
  • 习题4.10
• 组合逻辑电路
  • 算数/逻辑单元（ALU）是一种很重要的组合电路
• 集合关系
• 存储器和时钟
  • 时钟寄存器（寄存器）：存储单个位或字。时钟信号控制寄存器加载输入值。
  • 随机访问存储器（存储器）：存储多个字，用地址来选择该读或该写哪个字。
  • 程序计数器（PC）
  • 条件代码（CC）
  • 程序状态（Stat）

4.3 Y86的顺序实现

• 将处理组织成阶段

  • 取指：取指阶段从存储器读取指令字节，地址为程序计数器（PC）的值。
    • icode:指令代码，ifun:指令功能
  • 译码：译码阶段从寄存器文件读入最多两个操作数，得到值valA/valB
  • 执行：在执行阶段，算数/逻辑单元（ALU）要么执行指令指明的操作 ，计算存储器引用的有效地址，要么增加或减少指针。
    • 得到的值称为valE
  • 访存：访存阶段可以将数据写入存储器，或者从存储器读出数据。
    • 读出的值为valM
  • 写会：写会阶段最多可以写入存储器。
  • 更新PC：将PC设置成下一条指令的地址。

• Y86指令序列（图4-17）

• Y86指令OPI、rrmovl、irmovl在顺序实现中的计算（图4-18）

  • 习题4.11

• Y86指令rmmovl、mrmovl在顺序实现中的计算（图4-19）

• Y86指令pushl和popl在顺序实现中的计算（图4-20）

  • 习题4.12

• Y86指令jXX、call、ret在顺序实现中的计算（图4-21）

  • 习题4.16

• SEQ硬件结构

  • 取指：将程序计数器寄存器作为地址，指令存储器读取指令的字节。
  • 译码：寄存器文件有两个读端口A和B，从这两个端口同时读取寄存器值valA、valB
  • 执行：根据指令类型将ALU用于不同目的。
  • 访存：数据存储器读入或写入一个存储器字。
  • 写回：寄存器文件有两个端口

• SEQ的时序

Y86模拟器的安装

• 构建YIS环境

  • 解压命令：tar -xvf sim.tar
    

  • 进入：cd sim

  • 图形界面需要安装Tcl/Tk

    • sudo apt-get install tcl8.5-dev tk8.5-dev tcl8.5 tk8.5

  • 进行文件的修改（打开文件目录下的makefile文件夹，用leafpad或者其他记事本进行修改）

    • GUIMODE=-DHAS_GUI （去掉原有注释#）

    • TKLIBS=-L/usr/lib/ -ltk8.5 -ltcl8.5

    • TKINC=-I/usr/include/tcl8.5
      

  • 编译 在sim文件夹下右键选择在终端中打开，输入make clean;make
    

代码调试中的问题和解决过程

YIS

• 问题：没有找到下载的sim
• 解决方法：重新下载记住保存路径，为了方便我放在主文件夹下。

• 问题：找不到psim

• 解决方法：重新安装了一遍也并没有找到问题所在，所以用实验楼继续试验...
  

• 实验楼也出现了一点问题不过是字母大小写的原因。
  

• 最终进行汇编，asuml.yo就是汇编后的结果。

教材学习中的问题和解决过程

• 4.1
  • 题目：确定Y86指令序列的字节编码
    • .pos ox100
    • irmovl $15,%ebx
    • rrmovl %ebx,%ecx
  • 解决方法：比照Y86指令集，irmovl V,rB 为 30 F rB V
    • 将15化为十六进制表示为0x0000000f,以反向顺序来写就是0f000000
    • rrmovl rA rB 为 20 rA rB
    • 对照寄存器名字与数字，为2031
    • 答案：0x100:30f30f000000

    •  0x106:2031
      

• 4.2
  • 题目：确定字节序列所编码的Y86指令序列
    • 0x400:6113730004000000
    • 0x500:6362a0f0
  • 解决方法：先看开始两个字节判断指令与功能，分步分析。
    • 0x400:6113| subl %ecx,%ebx
    • 0x402:7300040000| je loop
    • 0x407:00| halt
    • 0x500:6362| xorl %esi,%edx
    • 0x502:a0| pushl
    • 0x503:f0|
• 4.8
  • 题目：写出信号xor的HCL表达式，xor就是异或，输入为a和b。信号xor和上面定义的eq有什么关系呢
  • 解决方法：用逻辑门语句。数据类型bool
    • bool xor=(!a&&b)||(a&&!b)
    • 通常，信号eq和xor是互补的。也就是，一个等于1，另一个等于0
    • bool eq=(a&&b)||(!a&&!b)
• 4.10
  • 题目：写一个电路的HCL代码，对于输入字A,B,C，选择中间值。
  • 解决方法：也就是，输出等于三个输入中居于最小值最大值中间的那个字
    • 我的思路是会有abc,cba,bac,cab,acb,bca六种情况，列举法好了。
    • int Med3=[
      • A<=B&&B<=C:B;
      • C<=B&&B<=A:B;
      • B<=A&&A<=C:A;
      • C<=A&&A<=B:A;
      • 1 :C;
      • ];
• 4.12
  • 题目：valM=M4[valA]
    • 不清楚这一步具体如何实现
  • 解决方法：由上一步知：valA=124，则M4[124]查看指令序列%esp=124找到这行指令：pushl %edx，知%edx=9
  • 答案：valM=M4[valA]=9

本周代码托管

• 托管链接：https://git.oschina.net/20145330swx/Linux

感悟与思考

• 本周的内容是循序渐进的，要从第一节看到第七节才能比较好的掌握知识，每天学习一点点是良好的学习方法。在进行Y86的安装时刚开始比较顺利后面越是遇到了一些问题，不明白一步步按教程安装为什么会出现找不着目录的问题，之后我还会探索。还好有实验楼让我完成了实验。

学习进度条

	代码行数（新增/累积	博客量（新增/累积）	学习时间（新增/累积）	重要成长
目标	5000行	30篇	400小时
第一周	200/200	2/2	20/20
第二周	300/500	2/4	18/38
第三周	500/1000	3/7	22/60
第四周	000/1000	2/9	30/90
第五周	200/1200	1/10	30/120
第六周	100/1300	1/101	30/150