第七周学习总结

•与x86-64相比,Y86-64指令集的数据类型、指令和寻址方式都要少一些。它的字节级编码也比较简单,机器代码没有相应的x86-64代码紧凑。

程序员可见状态
•定义一个指令集体系结构(例如Y86-64)包括定义各种状态单元、指令集和它们的编码、一组编程规范和异常事件处理。

•Y86程序中的每条指令都会读取或者修改处理器状态的某些部分。这称为程序员可见状态。

•15个程序寄存器:%rax、%rcx、%rdx、%rbx、%rsp、%rbp、%rsi、%rdi、%r8-%r14。每个程序寄存器存储一个64位的字。%rsp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、SF和OF,它们保存最近的算术或逻辑指令所造成影响的有关信息。程序计数器(PC)存放当前正在执行指令的地址。

•Y86-64程序用虚拟地址来引用内存位置。

•序状态的最后一个部分是状态码Stat,它表明程序执行的总体状态。它会指示是正常运行,还是出现了某种异常。

Y86-64指令
•Y86-64指令集基本上是x86-64指令集的一个子集。它只包括8字节整数操作,寻址方式较少,操作数也较少。

•movq指令分成了4个不同的指令:irmovq、rrmovq、mrmovq和rmmovq。分别显示地指明源和目的的格式:
1.源操作数:立即数(i)、寄存器(r)或内存(m)。
2.目的操作数:寄存器(r)、内存(m)。
•指令名字的第一个字母就表示了源的类型、指令名字的第二个字母指明了目的的类型。

•两个内存传送指令中的存储器引用方式是简单的基址和偏移量形式。
•在地址计算中,我们不支持第二变址寄存器和任何寄存器值的伸缩。

•不允许从一个内存地址直接传送到另一个内存地址。也不允许将立即数传送到内存。

•4个整数操作指令:addq、subq、andq和xorq。

•7个跳转指令:jmp、jle、jl、je、jne、jge和jg,根据分支指令的类型和条件代码的设置来选择分支。

•6个条件传送指令:cmovle、cmovl、cmove、cmovne、cmovge和cmovg。

•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。

•pushq和popq实现入栈和出栈的操作。

•halt指令停止指令的执行。
•执行halt指令会导致处理器停止,并将状态码设置为HLT。

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4位:高4位是代码部分,低4位是功能部分。功能值只有在一组相关指令共用一个代码时才会有用。

•指令的字节级编码规则:每条指令的第一个字节表明指令的类型。分为两个部分,高4位是代码部分,低4位是功能部分。代码值为0~0xB,功能值只有在一组相关指令共用一个代码时才有用。
•15个程序寄存器当中,每个都有一个相对应的0~0xE之间的寄存器标识符。

•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。

•分支指令和call指令,就没有寄存器指示符字节。

•只需要一个寄存器操作数的指令(irmovq、pushq、popq)将另一个寄存器指示符设为0xF。

•指令集的一个重要性质就是字节编码必须有唯一的解释。

Y86-64异常
•对Y86-64来说,程序员可见的状态码包括Stat,它描述程序执行的总体状态,这个代码可能的值如下:

名字

含义

1 AOK 正常操作
2 HLT 遇到器执行halt指令
3 ADR 遇到非法地址
4 INS 遇到非法指令
•指令模拟器,称为YIS,他的目的是模拟Y86-64机器代码程序的执行,而不用试图模拟任何具体处理器实现的行为。

逻辑设计和硬件控制语言HCL
•要实现一个数字系统需要的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、存储位的存储器单元,以及控制存储器元素更新的时钟信号。

•逻辑门是数字电路的基本单元。它们产生的输出,等于它们输入位值的某个布尔函数。

•逻辑门只对单个位的数进行操作,而不是整个字。

•逻辑门总是活动的。一旦一个门的输入变化了,在短时间内,输出就会相应变化。

•将很多逻辑门组合成一个网,就能构建计算块,称为组合电路。构建这些网有几个限制:
1.每个逻辑门的输入必须连接到下述选项之一:(1)一个系统输入;(2)某个存储器单元的输入;(3)某个逻辑门的输入。
2.两个或多个逻辑门的输出不能连接在一起。否则可能使线上信号矛盾,可能会导致一个不合法的电压或电路故障。
3.这个网必须是无环的。否则会导致该网络计算的函数有歧义。

•HCL表达式很清楚地表明了组合逻辑电路和c语言中逻辑表达式的对应之处。它们都是用到布尔操作来对输入进行计算的函数,但是,这两种表达计算的方法之间也是有区别的。

•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允许比较是否相等,与c的使用方法一样,‘=’表示赋值,‘==’表示相等。

•处理器中会用到很多多路复用器,使得我们能够根据某些控制条件,从很多源中选出一个字。在HCL中,多路复用函数是用情况表达式来描述的。情况表达式的通用格式如下:

[
select1:expr1;
select2:expr2;
.
.
.
selectk:exprk
]
•组合电路本质上讲,不存储任何信息。相反,它们只是简单的响应输入信号,产生等于输入的某个函数的输出。

•时序电路:有状态并且在这个状态上进行计算的系统。

•两类存储器设备:
(1)时钟寄存器(简称寄存器):储存储单个位或字,时钟信号控制寄存器加载输入值。
(2)随机访问存储器(简称内存):存储多个字,用地址来选择该读或者写哪个字。

•Y86-64处理器会用时钟寄存器保存程序计数器(PC)、条件代码(CC)和程序状态(Stat)。

Y86-64的顺序实现
•处理一条指令包括很多的操作。将他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。

•六个阶段内执行的操作:
(1)取指;从内存读取指令字节,地址为程序计数器(PC)的值。抽取指令指示符字节两个四位部分,称为icode(指令代码)和ifun(指令功能)。有如下公式:vaIP(下一条指令的地址)=PC+已取出指令的长度。
(2)译码:从寄存器文件读入最多两个操作数,得到valA和/或valB。
(3)执行:算术/逻辑单元要么执行指令指明的操作,计算内存引用的有效地址,要么增加或减少栈指针。得到的值称为valE。
(4)访存:将数据写入内存,或从内存读出数据。读出的值为valM。
(5)写回:最多可以写两个结果到寄存器文件。
(6)更新PC:将PC设成下一条指令的地址。
处理器无限循环,执行这些阶段,在简化的实现中,一旦发生任何异常,处理器就会停止。

•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,随机访问存储器。
(2)程序计数器、条件码寄存器。数据内存和寄存器文件。

•通过一个时钟信号来控制,触发将新值装载到寄存器以及将值写到随机访问存储器。

•每个时钟周期,程序计数器都会装载新的指令地址。

•只有在执行整数运算指令时,才会装载条件码寄存器。

•只有在执行rmovq、pushq或call指令时,才会写数据内存。

•SEQ阶段的实现:
(1)取指阶段(包括指令内存硬件单元):以PC为第一个字节的地址,一次从内存读10个字节。
三个一位的信号:
instr_valid:用于发现不合法的指令
need_regids:是否包含寄存器指示符字节
need_valC:是否包括常数字
(2)译码和写回阶段:寄存器文件有四个端口,支持同时进行两个读和两个写。每个端口有一个地址连接(寄存器ID)和一个数据连接(64根线路),既可以作为寄存器文件的输出字,又可以作为它的输入字。
(3)执行阶段:包括算数/逻辑单元(ALU),输出为valE信号。
(4)访存阶段:读或者写程序数据。两个控制块产生内存地址和内存输入数据的值。另外两个块产生表明应该执行读还是写操作的控制信号。当执行读操作时,数据内存产生valM。
(5)更新PC阶段:SEQ的最后一个阶段会产生程序计数器的新值,依据指令的类型和是否要选择分支,新的PC可能是valC、valM或者valP。

posted @ 2018-11-11 22:04  20165239  阅读(183)  评论(0编辑  收藏  举报