第四章 处理器体系架构

指令集体系结构(Instruction-Set Architecture,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。
本章简要介绍处理器硬件的设计。
4.1 Y86-64指令集体系结构

4.1.1 程序员的可见状态
包括15个寄存器、三个条件码ZF SF OF、一个程序计数器PC、状态码stat。

4.1.2 Y86-64指令
mov指令、整数操作指令op(add、sub、and、xor)、跳转指令jxx、call指令、栈操作push pop指令、停止halt指令

4.1.3 指令编码

  1. 每条指令需要1-10个字节,每个指令的第一个字节表明指令的类型,这个字节分两个部分,高4位是指令代码部分,低4位是功能部分。
  2. 每个寄存器都有标识符,从0到E。如果某个指令中寄存器标识ID是0xF,就表明此处没有寄存器操作数。不同的指令根据功能后面可能需要跟0-2个寄存器标识ID。
  3. 使用小端法编码。

4.1.4 Y86-64异常
1 AOK 正常
2 HLT halt指令停止运行
3 ADR 遇到非法读取或写入内存地址
4 INS 遇到了非法指令

4.1.5 Y86-64程序

  1. Y86-64不支持常数与寄存器直接运算,因此需要先把常数加载到寄存器中
  2. Y86-64的sub、add等指令直接设置了条件码,因此不需要test比较指令
  3. 以.开头的词是汇编器的伪指令

4.1.6 一些Y86-64的指令

  1. pushq会把栈指针减8,并把寄存器的值写入内存中,那么 pushq %rsp这条指令是把rsp的原始值还是把rsp-8的值写入内存。Y86-64和X86-64的选择是一样的,即把rsp的原始值存入内存。
  2. popq %rsp,同样会把栈指针设置为从内存中读出来的值。

4.2 逻辑设计与硬件控制语言HCL
数字电路系统通过高低电压表示10位,三个组成部分:计算对位进行操作的函数的逻辑组合、存储位的存储器单元、控制存储器单元更新的时钟信号。

4.2.1 逻辑门
AND对应&&,OR对应||,NOT对应!

4.2.2 组合电路和HCL表达式
很多的逻辑门组合成一个网就能构建计算块,称为组合电路。
位相等组合电路:bool eq = (a && b) || (!a && !b)
多路复用电路:bool out = (s && a) || (!s && b)

4.2.3 字级组合电路和HCL整数表达式
1.将很多个位级的逻辑门组合连接输出到一个逻辑门上,就能形成字级的组合电路。
如bool Eq = (A == B),使用64个位级逻辑与门一同输出到一个位级与门上,来进行64位int相等的判断。
2.多路复用电路(函数)用情况表达式表示:
[select1: expr1; select2: expr2; ...]
select是布尔表达式,表示什么时候选择这种情况;expr是整数表达式,表示得到的值。
select为1表示前面情况如果没有被选中,那么就选择这种情况,这是HCL中一种指定默认情况的方法。

  1. ALU是一种重要的组合电路,它有两个数据输入和一个控制输入,通过控制输入实现对这两个数据的加减与或等操作。

4.2.4 集合关系
判断某个多位控制输入属于哪些集合,以此来确定它分解后的控制输入。

4.2.5 存储器与时钟
1.存储设备由同一个时钟(周期性信号)决定什么时候要把新值加载进来。
2.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(简称内存)存储多个字,用地址来选择该读或该写哪个字。
3.硬件寄存器指输入输出连接在电路中的;程序寄存器代表CPU可通过寄存器ID进行寻址的字,这些字存储在寄存器文件中。

  1. 硬件寄存器,大多时候维持在稳定状态,输出等于当前状态,如果输入变化,但是时钟是低电位的,寄存器输出就保持不变,当时钟变高电位,输入加载到寄存器中,直到下一个时钟上升沿,寄存器一直保持新输出。
  2. 寄存器文件,写入需要传写入地址即寄存器标识符和写入值,同样用时钟信号控制写入,时钟上升时,输入值被写入到寄存器ID指示的程序寄存器。读取通过一个地址输入和一个值输出完成。
  3. 随机访问存储器,有一个write控制信号,一个地址输入,一个数据输入,一个数据输出。write为0时进行读操作,write为1时进行写操作。

4.3 Y86-64的顺序实现
4.3.1 将处理组织成阶段

  1. 取指:从内存中按PC的值读取指令,指令包含指令指示符字节,两个四位分别是指令代码和指令功能。可能包含一个寄存器指示符字节,指明一个或两个寄存器id标识符。还可能取出一个四字节常数。然后根据PC的值和已取出指令长度计算下一条指令地址。
  2. 译码:从寄存器文件读取最多两个操作数。
  3. 执行:ALU运算、栈指针运算、有效地址运算、条件码、跳转指令等处理。
  4. 访存:将数据写入内存,或从内存读取值。
  5. 写回:写结果到寄存器文件。
  6. 更新PC:将PC设置成下一条指令地址。

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