深入理解计算机系统阅读笔记-第四章

本文主要是介绍深入理解计算机系统阅读笔记-第四章，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

第四章处理器体系结构

一个处理器支持的指令和指令的字节级编码称为它的ISA(instruction-set architecture，指令集体系结构)。不同家族处理器有不同的ISA。ISA在编译器编写者和处理器设计人员之间提供了一个概念抽象层，编译器编写者只需要知道允许哪些指令，以及他们是如何编码的；而处理器设计者，必须建造出执行这些指令的处理器。

ISA模型看上去是顺序执行的，实际上同时处理多条指令的不同部分，可以提升性能。

本章自定义设计一个Y86处理器，它的指令集称为Y86指令集。

4.1 Y86指令集体系结构

我们设计的Y86处理器，类似于IA32，包含下面四部分：
八个程序寄存器：每个寄存器存储一个字，寄存器%esp被入栈，出栈调用和返回指令作为栈指针，其他寄存器没有固定含义或固定值。
三个一位的条件码：它们保存最近的运算的相关信息。
程序计数器（PC）：存放着当前正在执行指令的地址。
存储器：保存程序和数据，可以看成很大的数组。Y86用虚拟地址来引用存储器位置。硬件和软件操作系统协作将虚拟地址转换成物理地址。

下图是我们设计的Y86指令集描述，这个就是我们要设计的处理器要实现的目标。左边是汇编表示，右边是字节编码。我们使用小端法。

指令的字节编码最多6个字节（0xff是8位，一个字节）
第0字节：称为指令指示符。fn字段表示是某个整数操作（OP1）或分支条件（jXX）。

我们把IA32的movl拆分成4个指令，显示地指明源和目的的类型，i立即数，r寄存器，m存储器。

opl:是4个整数操作指令addl,subl,andl,xorl。它们只对寄存器数据进行操作，这些指令会设置条件码。

jXX：跳转指令jmp，jle，jl，je，jne，jg，jge。根据分支指令类型和条件码选择分支。dest是绝对地址。

call指令将返回地址入栈，然后调到目的地址。dest是绝对地址。

ret指令从call指令的调用中返回。

pushl和popl实现入栈和出栈。

halt：停止执行指令。

fn指令字节码

如下图所示，8个寄存器都有相应的寄存器标识符。程序寄存器被存放在cpu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。图4.2中的rA，rB就对应这8个寄存器。当操作数不是寄存器时，就用ID为8的表示，图4.2中的8就是这个意思。

通过上面这些规则，我们可以把汇编语言转换成十六进制字节码，反之亦然。

例如

rmmovl %esp 0x12345(%edx)的转换过程如下：

rmmovl %esp 0x12345(%edx) -->404245230100
rmmovl = 40
%esp = rA = ID 4
%edx = rB = ID 2
0X12345 = D = 0x12345补齐8位=0x00012345 = 小端452301100

指令集的一个重要特性就是字节编码必须有唯一解释。任何一个字节序列只能对应唯一的指令。

4.2 逻辑设计和硬件控制语言HCL

4.2.1 逻辑门

下图是3个逻辑门的标准符号，下面是对应的HCL表达式。逻辑门只对位进行操作。

4.2.2 组合电路和HCL布尔表达式

将多个逻辑门组合起来，可以得到组合电路，有两个基本原则：

1. 逻辑门的输出不可以连到一起，因为会相互影响。

2. 这个网必须是无环的，因为该组合电路的计算函数有歧义。

两个简单的组合电路

4.2.3 字级的组合电路和HCL整数表达式

通常需要字级操作，这就需要更复杂的组合电路，下面列了几个组合电路的符号图和HCL表达式

1. 字等于电路

2. 字等于的HCL表达式

bool Eq = (A == B);

字级多路复用HCL表达式

int Out = [S: A;1: B;
];

3. 多路选择的多路复用

HCL表达式：

int Out4 = [!S1 && !S0: A;!S1: B;!S0: C;1: D;
];

4. 取最小值

HCL表达式：

int Min3 = [A < B && A < C: A;B < A && B < C: B;1: C;
];

算术逻辑运算单元ALU是非常重要的组合电路，其抽象如下图

A和B是数据输入，上方的0、1、2、3是控制输入，对应Y86指令集的四个整数操作addl,subl,andl,xorl。

4.2.4 集合关系（Set Membership）

处理器设计中，经常需要判断一个信号是否属于一组信号中的一个，使用表达式

iexpr in {iexpr1, iexpr2,...iexpr10}

4.2.5 存储器和时钟控制

为了产生时序电路（sequential circuit），也就是有状态，并且在这个状态上的系统，需要引入安位存储信息的设备，考虑如下两类：

时钟寄存器：简称寄存器，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：简称存储器，存储多个字，用地址来选择读写哪个字。常见的有处理器的虚拟存储器系统和寄存器文件。

硬件通过时钟控制化寄存器的值，如高电平保持，低电平变化。

下图是一个寄存器文件，虽然不是硬件组合电路，但原理是一样的，当向src*写入一个值后，过一段时间，就可以在val*上得到对应的值。例如向srcA设置为3，就会读%ebx的值，然后这个值就会出现在valA上。

4.3 Y86的顺序（sequential）实现

SEQ:顺序处理器

4.3.1 将处理组织成阶段

取址（fetch）：从存储器读入指令，地址为PC的值。从指令中抽取出指令指示符字节两个4位部分，称为icode指令代码和ifun指令功能。取的值有多种可能：
        1. 一个寄存器指示符字节，指明一个或两个寄存器操作数指示符rA和rB。
        2. 四字节常数valC。
        人理解L取出的内容是4.1中的字节码，可以转换成汇编语言后理解。
  它按顺序的方式计算下一条指令的地址valP，valP等于PC的值加上已取出的指令的长度。

解码（decode）：从寄存器文件读入最多两个操作数，得到valA或/和valB。通常它读入指令rA和rB字段指明的寄存器，也有些指令是读寄存器%esp的。

执行（execute）：ALU进程工作，有如下几种：
1. 执行指令指明的操作（根据ifun的值），计算存储器引用的有效地址；
2. 增加或减少栈指针；
3. 设置条件码，对于跳转指令来说，这一阶段会检查条件码和（ifun）给出的分支条件，看是否选择分支。

访存（memory）：将数据写入存储器或从存储器读出数据，读出的值为valM。

写回（write back）：最多可以写两个结果寄存器文件。

更新PC：将PC设置成下一条指令地址。

处理器循环执行上述几个阶段，只有在遇到halt或发生错误时才会停止。

下图展示了三个机器指令在每个阶段的动作。

以这个例子具体来看

第3行指令subl

第5条指令rmmovl

第6行pushl

第8行je

第13行ret

4.3.2 SEQ硬件结构

通过下面的硬件抽象图，学习图中的硬件单元和各个阶段关联

取址：指令存储器将PC作为地址，读取一个指令大小的字节，PC增加器计算valP。

解码：从寄存器文件的A、B两端读取valA和valB。

执行：ALU根据指令类型进行相应计算valE，可能会设置条件码。

访存：数据存储器读出或写入一个存储器字。指令和数据存储器访问的是相同的存储器位置，但是用于不同的目的。

写回：寄存器文件有两个写端口，M端口用于写从存储器中读出的值，E端口用来写ALU计算出的值。

下图是一个更详细的SEQ所需硬件，简单说明下图形表示：

用带淡点的浅灰色方框：表示硬件单元。比如存储器，ALU等。

灰色圆角矩形：表示控制逻辑块。用于从一组信号源中进行选择，或用来计算布尔函数。

白色圆角方框：线路的名字。

中等粗的线：表示宽度为字长的数据连接。实际上代表一簇32根线。

比字长线细一点的线：表示宽度为字节或者更小的数据连接。根据数据类型，实际上代表一簇4或8根线。

点虚线：表示单个位的连接。代表芯片上单元与块之间传递的控制值。

4.3.3 SEQ的时序（timing）

提前总结，就是新周期开始的上升沿，会把逻辑组合的值更新到寄存器，计数器等状态设备。

以下图为例介绍，硬件如何执行第3、4条指令的。

在时钟周期3开始的时候，状态元素使第2条命令结束的状态，地址0x00c载入程序计数器中，这样就会取出和处理第3条指令。值沿着组合逻辑流动，包括读随机访问存储器，在3周期末尾，组合逻辑为条件码产生了新值000，但没更新到条件码寄存器；更新了程序寄存器%ebx，以及程序计数器的新值0x00c，此时逻辑组合已经更新了，但是状态没有更新。

在时钟周期4开始的时候，有上升沿，会更新条件码寄存器，程序计数器，寄存器文件。但组合逻辑还没对这些变化做出反应。在这个周期内会取出和执行第4条指令。