1Y86指令集体系结构

ISA：指令集体系结构，一个处理器支持的指令和指令的字节级编码

程序员可见的状态

Y86程序中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。其中包括：

8个程序寄存器：%eax,%ecx,%edx,%ebx,%esi,%edi,%esp和%ebp。

条件码：ZF(零)、SF（符号）、OF（有符号溢出）

程序计数器（PC）：存放当前正在执行的指令的地址

存储器：很大的字节数组，保存着程序和数据。Y86系统用虚拟地址来引用存储器的位置，硬件和操作系统软件联合起来将虚拟地址翻译成实际或者物理地址。

状态码（stat）：表明程序执行的总体状态。（异常处理）

Y86指令

movl：irmovl、rrmovl、mrmovl、rmmovl，分别 显式地指明源和目的地的格式。第一个字母表明源的类型，i（立即数）、r(寄存器)或m（存储器 ），第二个字母代表目的，可以是r或者m。

 

注意：

1.两个存储器传送指令中的存储器引用方式是简单地基址和偏移量形式，即：

Imm（Eb）              M[Imm+R[Eb]]   （基址+偏移量）寻址

2.不允许从一个存储器地址直接传送到另一个存储器地址，也不允许将立即数传送到存储器。

OPl（整数操作指令）：addl、subl、andl和xorl。只对寄存器数据进行操作，同时还设置条件码。

jXX（跳转指令）：jmp、jle、jl、je、jne、jge、jg,根据分支指令的类型和条件码的设置来选择分支。

cmovXX（条件传送指令）：cmovle、cmovl、cmove、cmovne、cmovge和comvg，与寄存器-寄存器传送指令rrmovl一样，但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和ret：call指令将返回地址入栈，然后跳转到目的地址。ret指令从这样的过程调用中返回。

pushl和popl：入栈和出栈。

halt：停止指令的执行。

指令编码

指令的字节级编码规则：高4位为代码部分，低四位为功能部分，功能值只有在一组相关指令共用一个代码时才有用。

8个程序寄存器当中，每个都有相应的0~7的寄存器标识符。程序寄存器存在CPU中的一个寄存器文件中，这个文件就是一个小的、以寄存器ID作为地址的随机访问存储器。

附加寄存器指示符字节：指定一个或者两个寄存器。

附加4字节的常数字：作为irmovl的立即数数据，rmmovl和mrmovl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。

注意：分支指令和调用指令的目的地址是一个绝对地址。所有整数采用小端法编码。

Y86异常

状态码：描述程序执行的总体状态。

值             名字           含义

1              AOK            正常操作

2              HLT            处理器执行halt指令（指令停止）

3              ADR            遇到非法地址

4              INS            遇到非法指令

Y86中，任何AOK以外的代码都会使处理器停止执行指令，而没有异常处理程序。

逻辑设计和硬件控制语言HCL

实现一个数字系统需要的三个组成部分：计算对位进行操作的函数的组合逻辑、存储位的存储器元素，以及控制存储器元素更新的时钟信号。

一、逻辑门

1.逻辑门产生的输出，等于它们输入位值的某个布尔函数。

2.

AND &&

OR ||

NOT !

3.逻辑门只对单个位的数进行操作，而不是整个字。

4.逻辑门总是活动的，输入变化输出很快就跟着变化。

二、组合电路和HCL布尔表达式

1.构建计算块（组合电路）时的限制

  • 两个或多个逻辑门的输出不能连接在一起
  • 必须无环

2.组合逻辑电路和c语言中逻辑表达式的区别

  • 组合电路的输出会持续响应输入变化，c语言表达式只有在执行过程中被遇到才求值
  • 逻辑门只对0和1操作，c语言表达式中参数可以是任意整数，0是FALSE，不是0的都是TRUE
  • c的逻辑表达式可能被部分求值

三、字级的组合电路和HCL整数表达式

  • 所有字级的信号都声明为int，不指定字的大小
  • 多路复用函数用情况表达式来描述，具体格式如下：
  • [
  •   select_1 : expr_1
  •   select_2 : expr_2
  •   ……

]

从逻辑上讲，这些选择表达式是顺序求值的。

  • 选择表达式为1时，表示如果前面没有情况被选中，就选择这种情况
  • 不同 选择表达式之间允许不互斥

四、集合关系

判断集合关系的通用格式是：

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

iexpr等都是整数表达式。

 

 

4.3Y86顺序实现

将处理组织成阶段

·      取指：从存储器读取指令字节，地址为程序计数器（PC）的值。指令指示符字节两个四位部分，称为icode（指令代码）和ifun（指令功能）。vaIP（下一条指令的地址）=PC+已取出指令的长度。

·      译码：从寄存器文件读入最多两个操作数，得到valA和/或valB。

·      执行：算数逻辑单元（ALU）根据ifun的值执行指令指明的操作，计算存储器引用的有效地址，或者增加或减少栈指针。得到的值称为valE。也可根据条件码执行跳转。

·      访存：将数据写入存储器，或者从存储器读出数据。读出的值为valM。

·      写回：最多可以写两个结果到寄存器文件。

·      更新PC：将PC设置成下一条指令的地址。

SEQ硬件实现

·      取指：将程序计数器寄存器作为地址，指令存储器读取指令的字节。PC增加器计算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的值valA和valB。

·      执行：根据指令类型将算数/逻辑单元（ALU）用于不同的目的。条件码寄存器有三个条件码位，ALU负责计算条件码的新值，当执行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：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，但用于不同的目的。

·      写回：寄存器文件有两个写端口，E用来写ALU计算出来的值，M用来写从数据存储器中读出来的值。

SEQ的时序

Y86指令集的计算原则：处理器从来不需要为了完成一条指令的执行而去读由该指令更新了的状态。

SEQ阶段的实现

1.       取指阶段：包括指令存储器硬件单元。

2.       译码和写回阶段：寄存器文件，支持同时进行两个读和两个写，每个端口有一个地址连接（寄存器ID）和一个数据连接（32根线路），既可以作为寄存器文件的输出字，又可以作为他的输入字。

3.       执行阶段：算数逻辑单元（ALU），输出为valE信号。

4.       访存阶段：读或者写程序数据，两个控制块产生存储器地址和存储器输入数据的值。另外两个块产生控制信号表明应该执行读还是写操作。当执行读操作时，数据存储器产生valM。

5.       更新PC阶段：产生程序计数器的新值，依据指令的类型和是否要选择分支，新的PC可能是valC、valM或者valP。

实验结果

 

 

 

 参考博客：齐岳