处理器体系结构

处理器体系结构

指令集Y86-64寄存器

Y86-64处理器每个时钟周期执行一条完整的Y86-64指令。

X86-64寄存器有

程序员可见的状态的寄存器：

Y86-64的状态类似于x86-64。有15个程序寄存器：%rax,%rcx,%rdx,%rbx,%rsp,%rbp,%rsi,%rdi和%r8到%r14。这里省略了%r15以简化指令的编码。

其中%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,它们保存着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。

程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。它包括8字节整数操作，寻址方式较少，操作也较少。

Y86-64的一些细节

X86-64的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。源可以是立即数（i）,寄存器（r）或内存（m）。指令名字的第一个字母表明了源的类型。目的可以是寄存器（r）或内存（m）。指令民资的第二个字母表明了目的的类型。在决定如何实现数据传送时，显示地指令数据传送这4中类型是很有帮助的。

    两个内存传送指令中的内存引用方法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（second index register）和任何寄存器值的伸缩（scaling）。

    同x86-64一样，我们不允许一个内存地址直接传送到另一个内存地址。另外，也不允许将立即数传送到内存。

    有4个整数操作指令，Opq。它们是addq,subq,andq和xorq。它们只对寄存器数据进行操作，而x86-64还允许对内存数据进行这些操作。这些指令会设置3个条件码ZF,SF和OF（零，符号和溢出）。

    7个跳转指令（jxx）是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。

    有6个传送指令（cmovXX）：cmovele,cmovl,cmove,cmovne,cmovge和cmovg。这些指令的格式与寄存器-寄存器传送指令rrmovq一样，但是只有当条件码满足所需要的约束时，才会更新目的寄存器的值。

    call指令将返回地址入栈，然后跳到目的地址。ret指令从这样的调用中返回。

    Pushq和popq指令实现了入栈和出栈，就像在x86-64中一样。

    halt指令停止指令的执行。X86-64中有一个与之相当的指令hlt。X86-64的应用程序不允许使用这条指令，因为它会导致整个系统暂停运行。对于Y86-64来说，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

每条指令需要1~10个字节不等，这取决于需要哪些字段。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（code）部分，低4位是功能（function）部分。功能值只有在一组相关指令公用一个代码时才有用。

15个程序寄存器中每个都有一个相应的范围在0到0xE之间的寄存器标识符（register ID）。Y86-64中的寄存器编号跟x86-64中的相同。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。在指令编码中以及在我们的硬件设计中，当需要指令不应访问任何寄存器时，就用ID值0xF来表示

    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。首先，可能有附加的寄存器指示符字节（register specifier byte）,指定一个或两个寄存器。这些寄存器字段称为rA和rB。根据指令类型，指令可以指定用于数据源和目的寄存器，或是用于地址计算的基址寄存器。没有寄存器操作数的指令，例如分支指令和call指令，就没有寄存器指示符字节。哪些只需要一个寄存器操作的指令（irmovq,pushq和popq）将另一个寄存器指示符设为0xF。

    有些指令需要一个附加的4字节常数字（constant word）。这个字能作为irmovq的立即数数据，rmmovq和mrmovq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。

    分支指令和调用指令的目的是一个绝对地址，不想IA32中那样使用PC（程序计数器）相对寻址方式。处理器使用PC相对寻址方式，分支指令的编码会更简洁。

    同IA32一样，所有整数采用小端法编码。

Eg：rmmovq %rsp,0x12345678abcd(%rdx)的字节编码。从上图中偶尔们可以看到rmmovq的第一个字节为40。源寄存器%rsp应该编码放在rA字段中，而基地址寄存器%rdx应该编码放在rB字段中。得到寄存器指示符42。最后，偏移量放在8字节的常数字中。首先在0x123456789abcd的前面填充上0变成8个字节，变成字节序列00 01 23 45 67 89 ab cd。写成按字节反序就是cd ab 89 67 45 23 01 00。将它们都连接起来就得到指令的编码4041cdab896745230100。

Y86-64异常

    对于Y86-64来说，程序员课件的状态包括状态码Stat，它描述程序执行的总体状态。这个代码可能的值如下图：

代码值1，命名为AOK，表示程序执行正常，

代码值2，命名HLT，表示处理器执行了一条halt指令

代码值3，命名为ADR，表示处理器试图从一个非法内存地址读或者向一个非法内存地址写。

代码值，命名为INS，表示遇到了非法的指令代码。

Y86-64程序

    X86-64程序是由GCC编译器产生的。Y86-64代码与之类似但有以下不同点：

    Y86-64将常数加载到寄存器，因为它在算术指令中不能使用立即数。

    要实现从内存读取一个数值并将其余一个寄存器相机，Y86-64代码需要两条指令，而x86-64只需要一条addq指令。

程序的完整编码

Y86-64的顺序实现

取值（fetch）:取指阶段从内存读取指令字节，地址为程序计数器PC的值。从指令中抽取出指令指示符字节的两个四位部分，称为icode（指令代码）和ifun（指令功能）。它可能取出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。它还可能取出一个四字节常数字valC。它按顺序方式计算当前指令的下一条指令的地址valP。也就是说，valP等于PC的值加上已取出指令的长度。

译码（decode）：译码阶段从寄存器文件读入最多两个操作数，得到值valA和/或valB。通常，它读入指令rA和rB字段指明的寄存器，不过有些指令时寄存器%rsp的。

执行（execute）：在执行阶段，算术/逻辑单元（ALU）要么执行指令指明的操作（根据ifun的值），计算内存引用的有效地址，要么增加或减少栈指针。得到值，我们称为valE。在此，也可以设置条件码。对一条条件传送指令来说，这个阶段会检查条件码和传送条件，如果条件成立，则更新目标寄存器，同样，对一条跳转指令来说，这个阶段会决定是不是应该选择分支。

访存（memory）：访存阶段可以将数据写入内存，或者从内存读出数据。读出的值为valM。

写回（write back）：写回阶段最多可以写两个结果到寄存器文件。

更新PC（PC update）：将PC设置成下一条指令的地址。

SEQ硬件结构

实现所有Y86-64指令需要的计算可以被组织成6个基本阶段：取值，译码，执行，访存，写回和更新PC。下图给出了一个能执行这些操作的抽象表示：

取值：将程序计数器寄存器作为地址，指令内存读取指令字节。PC增加器（PC incrementer）计算valP，即增加了的程序计数器。

译码：寄存器文件有两个读端口A和B，从这两个端口同时读寄存器值valA和valB。

执行：执行阶段会根据指令的类型，将算术/逻辑单元（ALU）用于不同的目的。对整数操作，它要执行指令所指定的运算。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）有三个条件码位。ALU负责计算条件码的新值。当执行条件传送指令时，根据条件码和传送条件来计算决定是否更新目标寄存器。同样，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：在执行访存操作时，数据内存读出或写入一个内存字。指令和数据内存访问的是相同的内存位置，但是用于不同的目的。

写回：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用来写从数据内存中读出的值。

PC更新：程序计数器的新值选择自:valP，下一条指令的地址；valC，调用指令或跳转指令指定的目标地址；valM，从内存读取的返回地址。

取指阶段

译码和写回阶段

执行阶段

访存阶段

访问主存

Movq A,%rax

地址请A的内容被加载到寄存器%rax中。CPU芯片上称为总线接口（bus interface）的电路在总线上发起读事务。读事务是由三个步骤组成的。首先，CPU将地址A放到系统总线上。I/O桥将信号传递到内存总线。接下来，主存感觉到内存总线上的地址信号，从内存总线读地址，从DRAM取出数据字，并将数据写到内存总线。I/O桥将内存总线信号翻译成系统总线信号，然后沿着系统总线传递。最后CPU感觉到系统总线上的数据，从总线上读数据，并将数据复制到寄存器%rax。

总线结构示例

访问磁盘

    CPU使用一种称为内存映射I/O（memory-mapped I/O）的技术来向I/O设备发射命令。在使用内存映射I/O的系统中，地址空间中有一块地址是为与I/O设备通信保留的。每个这样的地址称为一个I/O端口（I/Oport）。当一个设备连接到总线时，它与一个或多个端口相连（或它被映射到一个或多个端口）。

    来看一个简单的例子，假设磁盘控制器映射到端口Oxa0。随后，CPU可能通过执行三个对地址Oxa0的存储指令，发起磁盘读：第一个指令是发送一个命令字，告诉磁盘发起一个读，同时还发送了其他的参数，例如当读完成时，是否中断CPU。第二个指令指令应该读的逻辑块号。第三条指令指明应该存储磁盘扇区内容的主存地址。

    在磁盘控制器收到CPU的读命令之后，它将逻辑块号翻译成一个扇区地址，读该扇区的内容，然后将这些内容直接传送到主存，不需要CPU的干涉。设备以自己执行读或者写总线事务而不需要CPU干涉的过程，称为直接内存访问（Direct Memory Access,DMA）。这种数据传送称为DMA传送（DMA transfer）。

    在DMA传送完成，磁盘扇区的内容被安全地存储在主存中以后，磁盘控制器通过给CPU发送一个中断信号来通知CPU。基本思想是中断会发信号到CPU芯片的一个外部引脚上。这会导致CPU暂停它当前正在做的工作，跳转到一个操作系统例程。这个程序会记录下I/O已经完成，然后将控制返回到CPU被中断地地方。