20135316王剑桥 linux第五周课实验笔记

4.1.1程序员的可见的状态

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Y86的每条指令都会读取或修改处理器状态的某些部分,称为程序员可见状态.如图1所示.

1.程序寄存器(Program registers): %eax, %ecx, %edx, %ebx, %esi,%edi, %esp和%ebp.都是32位的.

2.条件码(Condition codes): ZF(零标志), SF(符号标志), OF(溢出标志).用来保存最近的算术或逻辑指令造成的影响.

3.程序计数器(PC):存放当前正在执行的地址.

4.存储器(Memory):在程序员看来, Y86程序使用虚拟存储器.

5.状态码(State):表明程序执行的总体状态,它指示正常运行,或者发生某种异常.

4.1.2指令集

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图2是Y86指令集的简单描述.与IA32的AT&T指令集相似.操作的数据都是4字节的. 指令编码长度1-6个字节不等.

指令的格式大抵是: icode:ifun rA:rB D,具体如下图所示:

指令分类

具体指令

说明

传送指令(XXmovl)

(4种)

指令	源	目的
irmovl	立即数	寄存器
rrmovl	寄存器	寄存器
mrmovl	存储器	寄存器
rmmovl	寄存器	存储器

Y86指令的寻址方式单一:基址+偏移量.

算术逻辑指令(opl)

(4个)

addl, subl, andl, xorl

这4个指令的执行会设置条件码(CC).

跳转指令(jxx)

(4个)

jmp, jle, jl, je, jne, jge, jg

jmp是无条件跳转指令,其他是条件跳转指令

(根据条件码选择分支).

条件传送指令(cmovXX)

(6个)

cmovle, cmovl, cmove, cmovne, cmovge, cmovg

根据条件码选择是否更新目的寄存器.

call/ret指令

call/ret

call将返回地址入栈,跳转目的地址.

ret指令从过程调用中返回.

pushl/popl指令

pushl/popl

入栈和出栈操作.

halt指令

halt

停止执行指令指令.设置Stat位HLT.

nop指令

nop

4.1.3指令集编码

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Y86指令1-6个字节不等.第一个字节表明指令的类型,其中高4位是代码(code)部分,低4位是功能码(function). Y86的代码值0~0xB.

图3给出了整数操作,条件传送和条件传送指令的具体编码(第一个字节),其他指令的功能码是0(可以功能扩展).

寄存器编码

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为了方便,每个程序寄存器使用4位编码,其中F表示无寄存器.

4.1.4状态码和异常

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状态码(Stat)是程序员可见的状态之一,用来描述程序执行的总体状态.详见图5.

一个适用的处理器,当处理器遇到异常,会调用一个异常处理程序.在Y86,当遇到异常时,直接让处理器停止执行指令.

4.2    逻辑设计和硬件控制语言HCL

实现一个数字系统需要三个主要组成部分：位运算函数的组合逻辑、存储器元素、时钟信号。

VHDL的语法类似于Ada语言，而Verilog HDL的语法类似于C语言。

4.2.2    组合电路和HCL布尔表达式

组合电路的组成有两条限定：

1).    多个逻辑门的输出不能接在一起，否则会导致输入信号的矛盾。
    2).    必须是无环的。

4.2.3    字级的组合电路和HCL整数表达式

算术/逻辑单元(ALU)是一种很重要的组合电路。

4.2.5    存储器和时钟控制

组合电路在本质上不存储任何信息，只是简单的响应输入信号，并产生某个函数输出。为了产生时序电路——就是具有状态并以状态为基础进行计算的系统，必须引入按位存储信息的设备。

两类存储设备：

时钟寄存器：存储单个字
   随机访问存储器：存储多个字，用地址选择。例子包括虚拟存储器系统、寄存器堆；此处，寄存器标识符(ID)作为地址。

在硬件和机器级编程中，"寄存器"的含义有细微的差别。在硬件中，寄存器直接将其输入和输出线连接到电路的其它部分。在机器级编程中，寄存器代表CPU中为数不多的可寻址的字，这里的地址是寄存器ID。分别称这两类寄存器为硬件寄存器和程序寄存器。

4.3 Y86的顺序实现

4.3.1将处理组织成阶段

取指(fetch)

取值阶段从存储器读取指令字节，放到指令存储器(CPU中)中，地址为程序计数器(PC)的值。

它按顺序的方式计算当前指令的下一条指令的地址(即PC的值加上已取出指令的长度)

译码(decode)

ALU从寄存器文件(通用寄存器的集合)读入最多两个操作数。（即一次最多读取两个寄存器中的内容）

执行(execute)

在执行阶段会根据指令的类型，将算数/逻辑单元(ALU)用于不同的目的。对其他指令，它会作为一个加法器来计算增加或减少栈指针，或者计算有效地址，或者只是简单地加0，将一个输入传递到输出。

条件码寄存器(CC)有三个条件位。ALU负责计算条件码新值。当执行一条跳转指令时，会根据条件码和跳转类型来计算分支信号cnd。

访存(memory)

访存阶段，数据存储器(CPU中)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(write back)

写回阶段最多可以写两个结果到寄存器文件。寄存器文件有两个写端口。端口E用来写ALU计算出来的值，而端口M用来写从数据存储器中读出的值。

更新PC(PC update)

根据指令代码和分支标志，从前几步得出的信号值中，选出下一个PC的值。

我们以SEQ(sequential 顺序的)处理器为例讲解CPU的基本原理。每个时钟周期上，SEQ执行处理一条完整指令所需的所有步骤。不过这需要一个很长的时钟周期时间，因此时钟周期频率会低到不可接受。

SEQ的时序

 

组合逻辑不需要任何时序或控制——只要输入变化了，值就通过逻辑门网络传播。

我们也将读随机访问存储器(寄存器文件、指令存储器和数据存储器)看成和组合逻辑一样的操作。（写随机访问存储器需要等待高电平）

由于指令存储器只用来读指令，因此我们可以将这个单元看成是组合逻辑。（内存向指令存储器中写指令是CPU外部的事件 不属于CPU内的时序）

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mov、push、call指令时，才会写数据存储器。

要控制处理器中活动的时序，只需要寄存器和存储器的时钟控制。

因为指令运行计算的结果，写入寄存器或存储器中。

我们可以把取指、译码、执行等过程看做是组合逻辑的处理过程（因为它们不涉及写入寄存器）。把写回看做是另一个过程。

则整个过程可简化为下图所示：

学习中遇到的问题：

1.首先是对指令的不熟悉，有些地址变化不是很清楚，对指令的编码目前要借助书上的表格才能做到。以后要多多练习，增加熟悉程度。

2.对Y86的顺序实现只有抽象的认识，看了一遍书之后感觉很混乱，太多东西要记住，没有太多的实质认识，概念性东西太多了，通过实验操作更好的理解运用。