信息安全系统设计基础第六周学习总结—20135227黄晓妍

第四章

ISA

指令集体系统结构：一个处理器支持的指令和指令的字节级编码。

不同的处理器家族有不同的ISA。

Y86

本章定义的一个简单的指令集。包括各种状态元素、指令和它们的编码、一组编程规范和异常事件处理。

Y86处理器

以顺序指令执行为基础，设计了一个流水化的处理器。将每条指令分成5步，每个步骤都由一个独立的硬件部分或者阶段来处理。每个时钟周期有新的指令进入流水线，即说该处理器可以同时执行5条指令的不同阶段。（重点在于如何处理冒险冲突的情况。数电，EDA中的概念）

4.1.1 程序员可见状态

即：Y86程序中每条指令都会读取或者修改处理器状态的某些部分的状态。

帮助理解   程序员：用汇编代码写程序的人，产生机器代码的编译器。

具体内容   8个程序寄存器（与IA32 一样），3个条件码（ZF,SF,OF）。PC程序计数器存放当前正在执行指令的地址。存储器，很大的字节组，保存着程序和数据。状态码Stat，表明程序的总体状态。（见p232图4—1）

4.1.2 Y86指令

背景知识：一条指令含有一个单字节的指令指示符。可能含有一个单字节的寄存器指示符，还可能含有一个四字节的常数字。字段fn说明是 某个整数操作opl，数据移动条件comvXX,分支条件Jxx。

movl指令:

         irmovl , rrmovl , mrmovl , rmmovl .

i：立即数r：寄存器m：存储器。

第一个字母代表源操作数，第二个字符代表目的操作数。

注意：有存储器寻址参与的两种movl指令，采用基址和偏移量形式。不支持第二变址寄存器和任何寄存器值得伸缩。

（p233页有以下详情）

4个整数操作指令：addl,subl,andl,xorl.

7个跳转指令。

6个条件传送指令。

Call指令返回地址入栈，人后跳回目的地址。 Ret指令从这样的调用中返回。

Pushl popl入、出栈。

Hatl将处理器停止，并将状态码设定为HLT。

4.1.3指令编码

每条指令的第一个字节:

高四位0~B表示，是代码部分。手工对指令编码时参照p232页的表格。注意rrmovl和cmovXX取值一样。

低四位是功能部分。除了opl,jXX,cmovXX以外全为0.这三者的指令对应的值，参照p233页的图。

附加部分：

寄存器指示符：参照p234页的表格，对应的寄存器的编号。

4字节的常数字（这个部分采用小端法）：

1. irmovl中的立即数数据
2. mmovl,mrmovl中存储器m地址指示符的偏移量
3. 分支指令jXX的目的地址（绝对地址）
4. 调用指令call的目的地址（绝对地址）

根本前提：字节编码和指令序列是一一对应的。

4.1.4Y86异常

使用状态码stat描述。一共有四种取值。（见p237）在Y86中除了等于1以外的其他情况，都会使处理器停止（在IA32或者更完整设计的ISA中，都会调用一个异常处理程序但这个是简化版咯。）

4.1.5Y86完整的程序

和IA32的汇编程序一样，包括代码段数据段和代码。“.”开头的词语是汇编器命令。

理解见p238.239.240的程序。基本和汇编程序是一样的。

4.2逻辑设计

这部分与以前学习过的电子电路，数字电路，EDA关联性非常大。

前提知识点：

*逻辑1是用1V左右的高电压表示的。

*逻辑0使用0V左右的低电压表示的。

*实现一个数字系统：计算对位进行操作的函数的组合逻辑、存储位的存储器元件、控制存储器元件更新的时钟信号。

4.2.1逻辑门：

只对单个位的数进行操作，而不是整个字。

与：&&  或： ||  非： ！

4.2.2组合电路：

很多逻辑门组合成一个网构建的计算块。（注意两个或多个输出不能连接在一起，并且无环。）

HCL表达式与C语言中的表达式的区别：

*HCL中输出会持续随着输入变化而变化。而C语言中只有在程序执行到的时候才进行求值。

*HCL只对0和1操作。C语言中，0是FLASE，除了0以外的所有整数都是TRUE

*C中&&和||这两种，是优先求值，（&和|并不是）第一个值就能确定结果的话，它不会去计算第二个值。但是HCL中并没有这样的规则。

4.2.3字级的组合电路和HCL整数表达式

例如：bool eq=(A==B);

在HCL硬件描述语言中，每个字都可以声明为特定的位数。允许描述自是否相等。输出eq表示AB是否相等。

画字级电路的时候，实线表示携带字的每个位的线路，虚线表示布尔信号的结果。

多路复用函数使用情况表达式描述：

[

         Select：expr

]

Select代表什么时候选择这种情况

Expr表示该种情况得到的数值

注意：顺序执行，第一个求值为1 的情况会被选中。一般最后一个表达式是 1：expr。表示的意思是前面所有情况都没有选中，就执行最后这个。

例如：

Int out=[

         S&&q :a

         S&&w:b

         1    :c

]

算术逻辑单元：

两部分组成：数据输入，控制输入。

控制输入代表不同的算术或逻辑操作。

0：+

1：-

2：&

3：^

4.2.4集合关系

书上的引入例子是数据选择器，是EDA 中学习的七个基本集合电路中的一个。

4.2.5存储器和时钟

时钟寄存器：（硬件寄存器）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）存储字，用地址来选择该读或该写那个字。

4.3Y86的顺序实现

处理指令阶段化：

取值、译码（从寄存器读入最多两个操作数）、执行、访存（写入，读出存储器）、写回（写最多两个结果到寄存器）、更新PC（设置为下一条指令的地址）。

取值：valC四字节常数字valP下一条指令的地址。

译码：从寄存器读入的数valA,valB.

执行：计算出的值valE.

访存：从存储器读出的值valM.

写回：写入寄存器的结果。

更新PC

SEQ硬件结构：

计算中不一样的地方：

         四个寄存器的ID信号：srcA，valA的源；srcB,valB的源；dstE，写入valE的寄存器；dstM，写入valM的寄存器。

SEQ的时序：

需要时序控制的控制的四个硬件：程序计数器、条件码寄存器、数据寄存器、寄存器文件。

它们的值要等时钟信号（上升沿或者下降沿来临时才改变）。

SEQ阶段的实现：

取值：第一个字节Split:由icode和ifun组成。Align：一字节的寄存器指示符和四字节的常数字。

译码和回写：读、写端口都有一个地址连接（寄存器ID）和数据连接（寄存器文件的输出、入字）。

执行阶段

访存阶段更新PC

参考资料：《深入理解计算机系统》