计算机系统课程 笔记总结 CSAPP第四章 处理器体系结构（4.1-4.3）_csapp第四章总结

定义一个指令集体系结构包括定义：

• 各种状态单元
• 指令集
• 指令集的编码
• 一组编程规范
• 异常事件处理

指令的层次

• 指令系统处在软/硬件交界面，同时被硬件设计者和系统程序员看到
• 硬件设计者角度：指令系统为CPU提供功能需求，要求易于硬件设计
• 系统程序员角度：通过指令系统来使用硬件，要求易于编写编译器
• 指令系统设计的好坏还决定了：计算机的性能和成本

• 内存：很大的字节数组，保存程序和数据
• 虚拟地址：用来引用内存位置
  • 硬件和操作系统联合将虚拟地址翻译成实际或物理地址
  • 虚拟内存系统向Y86-64程序提供了单一的字节数组映像

• x86-64的mov指令分成4个不同的指令
  • irmovq, rrmovq, mrmovq, rmmovq
  • 分别指明源和目的的格式
  • 源可以是立即数（i）、寄存器（r）、内存（m）
  • 目的可以是寄存器（r）、内存（m）
  • 不允许：
    • 内存地址直接传送到另一个内存地址
• 4个整数操作指令，QPq
  • addq, subq, andq, xorq
  • Y86-64中只对寄存器进行操作
  • 3个条件码：ZF（零）、SF（符号）、OF（溢出）
• 7个跳转指令
  • jmp, jle, jl, je, jne, jge, jg
  • 根据条件选择分支
• 6个条件传送指令
  • cmovle, cmovl, cmove, cmovne, cmovge, cmovg
• call指令将返回地址入栈，ret指令从这样的调用中返回
• pushq和popq指令实现入栈和出栈
• halt指令停止指令的执行
  • x86-64：hlt

当寄存器和内存移动是，内存m是rB

程序员可见的状态码Stat

• 遇到异常后，我们简单地让处理器停止执行指令；
• 更完整的设计中，处理器会调用异常处理程序（exception handler）

• 数据类型
  • bool: 布尔
    • a, b, c, …           （小写）
  • int: 字
    • A, B, C, …           （大写）
    • 不指定字大小——字节, 64-位 字, …
• 声明
  • bool a = 布尔表达式 ;
  • int A = 整数表达式 ;

通过返回值的类型分类

• 布尔表达式
  • 逻辑操作
    • a && b, a || b, !a
  • 字比较
    • A == B, A != B, A < B, A <= B, A >= B, A > B
  • 集合成员
    • A in { B, C, D }
      • 与A == B || A == C || A == D一样
• 字表达式
  • 情况表达
    • [ a : A; b : B; c : C ]
    • 按顺序评估测试表达式 a, b, c, …
    • 返回和首次成功测试对应的字表达式A, B, C, …

位相等：bool eq = (a&&b)||(!a&&!b)

字相等：bool Eq = (A == B)

• rA存数值
• rB存地址
• M[rB+D]=rA / rA=M[rB+D]

• valE = %rsp的值 栈顶元素的地址
• M[valA] = 原栈顶元素值

# Determine instruction code

int icode = [

imem_error: INOP;

1: imem_icode;

];

# Determine instruction function

int ifun = [

imem_error: FNONE;

1: imem_ifun;

];

bool need_regids =    icode in

     { IRRMOVQ, IOPQ, IPUSHQ, IPOPQ,

  IIRMOVQ, IRMMOVQ, IMRMOVQ };

bool instr_valid = icode in

{ INOP, IHALT, IRRMOVQ, IIRMOVQ,   

           IRMMOVQ, IMRMOVQ, IOPQ, IJXX, ICALL,

           IRET, IPUSHQ, IPOPQ };

bool need_valC = icode in { IIRMOVQ, IRMMOVQ, IMRMOVQ, IJXX, ICALL };

int srcA = [

  icode in { IRRMOVQ, IRMMOVQ, IOPQ, IPUSHQ  } : rA;

  icode in { IPOPQ, IRET } : RRSP;

  1 : RNONE; # 不需要寄存器

];

int dstE = [

icode in { IRRMOVQ } && Cnd : rB;

icode in { IIRMOVQ, IOPQ} : rB;

icode in { IPUSHQ, IPOPQ, ICALL, IRET } : RRSP;

1 : RNONE;  # 不写任何寄存器

];

word srcB = [

         icode in { IOPQ, IRMMOVQ, IMRMOVQ  }    : rB;

                icode in { IPUSHQ, IPOPQ, ICALL, IRET } : RRSP;

            1 :               RNONE;  # Don't need register

];

int word dstM = [        

    icode in { IMRMOVQ, IPOPQ } : rA;        

    1 :             RNONE;  # Don't write any register

];

int aluA = [

icode in { IRRMOVQ, IOPQ } : valA;

icode in { IIRMOVQ, IRMMOVQ, IMRMOVQ } : valC;

icode in { ICALL, IPUSHQ } : -8;

icode in { IRET, IPOPQ } : 8;

# 其他指令不需要ALU

];

int alufun = [

icode == IOPQ : ifun;

1 : ALUADD;

];

int aluB = [

icode in { IRMMOVQ, IMRMOVQ, IOPQ, ICALL,                            IPUSHQ, IRET, IPOPQ }         : valB;

       icode in { IRRMOVQ, IIRMOVQ    }         : 0;

# 其他指令不需要ALU

];

bool set_cc = icode in { IOPQ };

## 决定指令状态

int Stat = [

imem_error || dmem_error : SADR;

!instr_valid: SINS;

icode == IHALT : SHLT;

1 : SAOK;

];

int mem_addr = [

icode in { IRMMOVQ, IPUSHQ, ICALL, IMRMOVQ } : valE;

icode in { IPOPQ, IRET } : valA;

# 其他指令不需要地址

];

bool mem_read = icode in {IMRMOVQ,IPOPQ,IRET };

bool mem_write = icode in { IRMMOVQ, IPUSHQ, ICALL };

word mem_data = [        

         # Value from register

icode in { IRMMOVQ, IPUSHQ } : valA;

# Return PC

icode == ICALL : valP;        

# Default: Don't write anything];

int new_pc = [

icode == ICALL : valC;

icode == IJXX && Cnd : valC;

icode == IRET : valM;

1 : valP;

];