信息安全系统设计基础第六周学习总结（处理器体系结构）

第六周（10.12-10.18）:

学习计时：共xxx小时
读书：
代码：
作业：
博客：

一、学习目标

1. 了解ISA抽象的作用
2. 掌握ISA，并能举一反三学习其他体系结构
3. 了解流水线和实现方式

二、学习资源

1. 教材：第四章《处理器体系结构》，详细学习指导见这：重点是4.1-4.3
2. 课程资料：https://www.shiyanlou.com/courses/413 实验五，课程邀请码：W7FQKW4Y
3. 教材中代码运行、思考一下，读代码的学习方法见这。

三、学习方法

1. 进度很重要：必须跟上每周的进度，阅读，练习，问答，项目。我会认真对待每一位同学，请你不要因为困难半途而废。
2. 问答很重要：遇到知识难点请多多提问，这是你的权利更是您对自己负责的义务。问答到博客园讨论小组：http://group.cnblogs.com/103791/
3. 实践很重要：解决书中习题，实践书中实例，完成每周项目，才算真的消化了这本好书。通过实验楼环境或自己安装的虚拟机在实践中进行学习
4. 实验报告很重要：详细记录你完成项目任务的思路，获得老师点评和帮助自己复习。学习完成后在博客园中（http://www.cnblogs.com/）把学习过程通过博客发表，博客标题“信息安全系统设计基础第六周学习总结”

四、学习任务

1. 阅读教材，完成课后练习（书中有参考答案）
   4.1-4.3中练习,重点：4.1 4.2 4.5 4.6 4.8 4.10 4.11 4.12 4.16 4.17 4.19 4.21 4.24
2. 考核：练习题把数据变换一下
3. 实验：需要动手的到实验楼中练习一下

五、后续学习预告（可选）：

第六章《存储器层次结构》

六、学习过程

第四章 处理器体系结构

• 现代微处理器可以称得上是人类创造的最复杂的系统之一。一块手指甲大小的硅片上，可以容纳一个完整的高性能处理器、大的高速缓存，以及用来连接到外部设备的逻辑电路。
  到目前为止，我们看到的计算机系统只限于机器语言程序级。我们知道处理器必须执行系列指令，每条指令执行某个简单操作，例如两个数相加。指令被编码为由一个或多个字节序列组成的二进制格式。
  不同的处理器“家族”,例如intel IA32性能和复杂性不断提高，但是不同的型号在ISA级别上都保持着兼容。一些常见的处理器家族（例如IA32）中的处理器分别由多个厂商提供。因此，ISA在编译器编写者和处理器设计人员之间提供了一个抽象概念层，遍野器编写者只需要允许那些指令，以及他们是如何编码的。

4.1 Y86指令集体系结构

4.1.1 程序员可见的状态

• Y86程序中的每条指令都会读取或者修改处理器状态中的某些部分。这称为程序员可见状态。
  4.1.2 Y86指令
• i(源操作数)r(目的操作数)movl,rrmovl,mrmovl,rmmovl
  4.1.3 指令编码
• 字节编码必须有唯一的解释
  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。
  4.1.4 Y86异常
  对于Y86，当遇到这些异常的时候，我们就简单地让处理器停止执行指令。在更完整的的设计中，处理器通常会调用一个异常处理程序，这个过程被指定用来处理遇到的某种类型的异常。就像在第8章中讲述的，异常处理程序可以被配置成不同的结果，例如，放弃程序或者调用一个用户自定义的信号处理程序。
  4.1.5 Y86程序
  Y86可能需要多条指令来执行一条IA32指令所完成的功能。
  Y86没有伸缩寻址模式。

4.2 逻辑设计和硬件控制语言HCL

要实现一个数字系统需要三个主要的组成部分：

• 计算对位进行操作的函数的组合逻辑
• 存储位的存储器元素
• 控制存储器元素更新的时钟信号

4.2.1 逻辑门
逻辑门产生的输出，等于它们输入位值的某个布尔函数。

AND &&
OR ||
NOT !
逻辑门只对单个位的数进行操作，而不是整个字。

4.2.2 组合电路和HCL布尔表达式

4.2.3 字级的组合电路和HCL整数表达式

4.2.4 集合关系
在处理器设计中，很多时候都需要将一个信号与许多可能匹配的信号做比较，以此来检测正在处理的某个指令代码是否属于某一类指令代码。
4.2.5 存储器和时钟

4.3 y86的顺序(sequential)实现

4.3.1 将处理组织成阶段
通常,处理一条指令包括很多操作。将它们组织成某个特殊的阶段序列，即使指令的动作差异很大，但所有的指令都遵循统一的序列。每一步的具体操作取决于正在执行的指令。创建这样的框架，我们便能设计一个充分利用硬件的处理器。简略描述：
1.针对OPl（整数和逻辑运算），rrmovl（寄存器-寄存器传送）和irmovl（立即数-寄存器传送）

2.针对rmmovl和mrmovl

3.针对pushl和popl

4.针对跳转，call和ret

取指
译码
执行
访存
写回
更新PC
4.3.2 SEQ硬件结构

4.3.3 SEQ的时序
时序控制：程序计数器、条件码寄存器、数据寄存器、寄存器文件。
4.3.4 SEQ阶段的实现

4.4 流水线的通用原理

将每条指令的执行分解成五步，每个步骤由一个独立的硬件部分或者阶段来处理。指令步经流水线的各个阶段，且每个时钟周期有一条新指令进入流水线。处理器可以同时执行五条指令的不同阶段。
4.4.1 计算流水线

4.4.2 流水线操作的详细说明

4.4.3 流水线的局限性

4.4.4 带反馈的流水线系统

4.5 y86的流水线实现

4.5.1 SEQ+重新安排计算阶段

4.5.2 插入流水线寄存器

4.5.3 对信号进行重新排列和标号

4.5.4 预测下一个PC

4.5.5 流水线冒险

4.5.6 用暂停来避免数据冒险

4.5.7 用转发来避免数据冒险

4.5.8 加载/使用数据冒险

4.5.9 异常处理

4.5.10 PIPE各阶段的实现

4.5.11 流水线控制逻辑

4.5.12 性能分析

4.5.13 未完成的工作

七、遇到的问题及解决

知识太多....................理解吃力

八、其他

参考资料
教材：第四章《处理器体系结构》，详细学习指导：http://group.cnblogs.com/topic/73069.html
课程资料：https://www.shiyanlou.com/courses/413 实验五，课程邀请码：W7FQKW4Y
读代码的学习方法：http://www.cnblogs.com/rocedu/p/4837092.html。
-参考博客