第四章 处理器体系结构
4.1 Y86指令集体系结构
程序员可见的状态
·释义:Y86程序中的每条指令都会读取或修改处理器状态的某些部分。
Y86→IA32
·8个程序寄存器
%eax，%ecx，%edx，%ebx，%esi，%edi，%esp ,%ebp
·存储器
释义：从概念上来讲就是一个很大的字节数组，保存着程序和数据。
·Y86指令
见书中图片
·Y86指令的更多细节
*IA32的movl指令分成了4个不同的指令：irmovl、rrmovl、mrmovl和rmmovl，分别显示地指明源和目的的格式。
PS：源可以是立即数（i），寄存器（r）或存储器（m）
指令名字的第一个字母就表明了源的类型，第二个字母指明了目的类型。
△同IA32一样，不允许从一个存储器地址直接传送到另一个存储器地址，也不允许将立即数传送到存储器。
*四个整数操作指令：addl、subl、andl、xorl。
*七个跳转指令：jmp、jle、jl、je、jne、jge、jg。
*六个条件传送指令：cmovle、cmovl、cmove、cmovne、cmovge、cmovg
*call指令将返回地址入栈，然后跳到目的地址。
*push1和pop1指令实现了入栈和出栈。
*halt指令停止指令的执行。
指令编码
·每条指令的第一个字节表明指令的类型。这个字节分为两个部分，每部分四位：高4位是代码部分，低4位是功能部分。
·8个程序寄存器中每个都有相应的0~7的寄存器标识符。
·程序寄存器存在CPU中的一个寄存器文件中，这个寄存器文件就是一个小的、以寄存器ID作为地址的随机访问存储器。
PS：有的指令只有一个字节长，而有的需要操作数的指令编码就更长一些。
有些指令需要一个附加的4字节常数字，这个字能作为irmovl的立即数数据，rmmovl和mrmovl的地址指示符的偏移量，以及分支指令和调用指令的目的地址。
△指令集的一个重要性质就是字节编码必须有唯一的解释。
Y86异常
- 状态码stat，停止执行指令。
4.2逻辑设计和硬件控制语言HCL
- 在硬件设计中，用电子电路来计算对位进行计算的函数，以及在各种存储器元素存储位。
- 一个数字系统需要三个主要的组成部分：1、计算对位进行操作的函数的组合逻辑。2、存储位的存储器元素。3、控制存储器元素更新的时钟信号。
逻辑门
- 逻辑门是数字电路的基本计算元素。他们产生的输出，等于他们输入位值的某个布尔函数
- And && or|| not!
组合电路和HCL布尔表达式
- 将很多的逻辑门组合成一个网，就能构成计算块，称为组合电路。
- 两条限制：
+两个或多个逻辑门的输出不能连接在一起。
+这个网必须是无环的。 - 字级的组合逻辑电路和HCL整数表达式
- 执行字级计算的组合电路根据输入字的各个位，用逻辑门来计算输出字的各个位。
- 在HCL中，我们将所有字级的信号都声明为int，不指定字的大小。HCL允许比较字是否相等。
- 画字级电路的时候，我们用中等粗度的线来表示携带字的每个位的线路，而用虚线来表示布尔信号结果。
- 组合逻辑电路可以设计成在字级数据上执行许多不同类型的操作。
集合关系
- 将一个信号与许多可能匹配的信号做比较，以此来验证正在处理的某个指令代码是否属于某一类指令代码。
存储器和时钟
- 为了产生时序电路。
- 时钟寄存器：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：存储多个字，用地址来选择该读或该写哪个字。
4.3 Y86的顺序实现
- SEQ处理器
将处理组织成阶段
- 1.阶段
取指→译码→执行→访问→写回→更新PC
- 2.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）类型的指令所需的处理。
- 3.rmmovl和mrmovl所需要的处理。
- 4.处理pushl和popl指令所需的步骤。
- 5.跳转，call和ret三类控制转移指令的处理。
SEQ硬件结构
- 1.实现SEQ的画图惯例：（见书中图示）
（1）浅灰色方框表示硬件单元。
（2）控制逻辑快是用灰色圆角矩形表示的。
（3）线路的名字在百色椭圆中说明。
（4）宽度为字长的数据连接用中等粗度的线表示。
（5）宽度为字节或更窄的数据连接用细线表示。
（6）单个位的连接用虚线来表示。
SEQ的时序
- 1.SEQ的实现包括组合逻辑和两种存储器设备：
（1）时钟寄存器-程序计数器和条件码寄存器。
（2）随机访问存储器-寄存器文件，指令存储器和数据存储器。
（3）剩下四个：
- 条件码寄存器：只在执行整数运算指令时装载
- 数据存储器：只在执行rmmovl、pushl或call时写入
- 寄存器文件：两个写端口允许每个时钟周期更新两个程序寄存器。
- 特殊寄存器：0xF表示此端口不应执行写操作。
SEQ阶段的实现
- 在控制逻辑中必须被显式引用的常数：
（1）nop指令：PC+1，别的只经过不改变。
（2）halt指令：使处理器状态变为HLT，导致停止运行。
- 1.取指阶段：
以PC为第一个字节，读6个字节。
（1）两个逻辑块：
- 指令代码：icode
- 指令功能：ifun
（2）三个一位的信号
- instr_valid:发现不合法的指令.
- need_regids:包含寄存器指示符字节吗
- need_valC:包括常数字吗
- 2.译码和写回阶段
都需要访问寄存器文件，根据四个端口的情况，判断应该读哪个寄存器产生信号valA、valB
- 3.执行阶段
（1）包括算术/逻辑单元ALU，输出的是valE。
（2）包括条件码寄存器。
- 4.访存阶段
（1）读或者写程序数据。
（2）根据icode,imem_error,instr_valid,dmem_error，从指令执行的结果计算状态码Stat。
- 5.更新PC阶段
会产生程序计数器的新值。
实验
构建YIS环境：
cd ~/Code/shiyanlou_cs413
wget http://labfile.oss.aliyuncs.com/courses/413/sim.tar
tar -xvf sim.tar
cd sim
sudo apt-get install tk
sudo ln -s /usr/lib/x86_64-linux-gnu/libtk8.6.so /usr/lib/libtk.so
sudo ln -s /usr/lib/x86_64-linux-gnu/libtk8.6.so /usr/lib/libtk.so
make
YIS测试:
cd y86-code
进入测试代码，教材p239页代码为asuml.ys,可以通过
make asuml.yo
进行汇编，asuml.yo就是汇编后的结果，见教材p238。
make all
可以汇编运行所有代码结果。
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
- 教材中代码运行、思考一下，读代码的学习方法：http://www.cnblogs.com/rocedu/p/4837092.html。