20135218 姬梦馨 第六周学习总结

学习计时：共12小时

读书：4.5 个小时

代码：2.5 个小时

作业：2个小时

博客：3个小时

一、学习目标

1. 了解ISA抽象的作用

2. 掌握ISA，并能举一反三学习其他体系结构

3. 了解流水线和实现方式

二、学习资源

3. 教材中代码运行、思考一下，读代码的学习方法见这。

 

三、学习方法

 

四、学习任务

（提示：请将要求学生完成的任务、测验或思考题列在此处）

 

4.1 4.2 4.5 4.6 4.8 4.10 4.11 4.12 4.16 4.17 4.19 4.21 4.24

第六章《存储器层次结构》

（提示：此处由学生填写，学习过程，学习笔记，代码编译，运行结果，思考等）

第四章：处理器体系结构

4.1 Y86 指令集体系结构

       序：定义一个指令集体性系结构，包括定义各种状态元素、指令集、和它们的编码、一组编程规范和异常时间的处理。

      4.1.1:程序员可见的状态

                 1:概念：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。

                 2:可见状态： 寄存器、存储器、条件码、PC、程序状态。

                 3:寄存器：8个。每一个寄存器可以存储一个字。

                   寄存器%esp被入栈、出栈、调用和返回指令作为栈指针。
           条件码：ZF,SF,OF。保存着最近的算术或者逻辑运算所造成的影响

                                的有关信息。

          PC：存放在当前的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，用虚拟地址来访问存储器 

                                 硬件和操作系统会将虚拟地址翻译为实际的（或物理）地址。

          状态码：stat表明程序执行的总体状态（正常还是出现某种异常）。

     4.1.2 Y86 指令

              1:Y86指令基本上是IA32指令集的一个子集。就是处理器实现的目标。

              2:图4.2 左边指令的汇编表示，右边是字节编码。

              3:Y86指令集：从1到6个字节不等。一条指令含有一个单字节的指令指示符，可能

                  含有一个单字节的寄存器指示符。还可能含有一个四字节的常数字。

                  字段fn指明某个整数操作（op1）、数据移动（cmovXX）、或是分支条件

                 （jxx）。所有的数值用十六进制表示。

             4:更多的细节问题：
                a：IA32的movl指令分成了4个不同的指令：irmovl、rrmovl、mrmovl和

                     rmmovl。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，

                     或存储器m；目的可以使寄存器r和存储器m。同IA32一样，不允许从

                     一个存储器地址直接传送到另一个储存器地址。

                 b：有4个整数作指令。addl、subl、andl和xorl。

                 c：7个跳转指令（jXX）。jmp、jle、jl、je、jne、jge和jg。根据分支指令的类

                      型和条件码的设置来选择分支。

                  d:有6个条件传送指令（cmovXX）。cmovle、cmovl、cmove、cmovne

                      comovge和cmovg。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。

                  e:call指令将返回地址入栈然后跳到目的地址。ret指令从这样的过程调用返回   

                  f:pushl和popl指令实现了入栈和出栈。

                 g：halt指令停止指令的执行。对于Y86来说，执行halt指令会导致处理器停止。

                      将状态码设置为HLT。

    4.1.3 指令代码

                每条指令的第一个字节表明了指令的类型，这个字节分为2部分，每部分4位。

                高4位是代码部分，低4位是功能部分。如图 4.3

                

                  图4.4:8 个寄存器每个都有相应的0-7的寄存器标识符。Y86的寄存器编号和IA32

                        的相同。

                        有的指令只有一个字节长度，有的需要操作数的指令编码就更长一些。

                         有的指令需要一个附加的4字节常数字。这个字能作irmovl的立即数据。

                            指令集的一个重要性质就是字节编码必须有唯一的解释。

4.1.4   Y86异常

           1.状态码stat：描述程序执行的总体状态

         a:AOK    正常操作
         b:HLT    处理器执行halt指令
         c:ADR    遇到非法地址
         d:INS    遇到非法指令

 

                 遇到异常，处理器停止执行指令。

 

4.2 逻辑设计和硬件控制语言HCL

      数字系统三部分组成：组合逻辑、存储器元素、时钟信号。

 

     4.2.1:逻辑门

              数字电路的基本计算元素。他们的产生输出，等于他们输出位值的布尔函数

        4.2.2 ：组合电路和HCL布尔表达式

                   1:HCL表示与、或、非：a&&b、a||b、!a。

                   2:将很多逻辑门组合成一个网，就能构建计算块，称为组合电路。

                       构建这些网有两条限制：

 

                       a: 两个或多个逻辑门的输出不能连接在一起。否则他们可能会使线上的信

                           号矛盾，可能会导致一个不合法的电压或电路故障。

 

                       b:这个网必须是无环的。在网中不能有路径经过一系列的门而形成一个回路，

                          这样的回路会导致该网络计算的函数有歧义。

                  3:单个位的多路复用器：如果控制信号为1，则输出等于输入a；

                                                 如果控制信号为0，则输出信号输入b。

                  4:Hcl表明了组合逻辑电路和C语言逻辑中表达式的对应之处。

                    组合电路：逻辑门组成；输出会持续响应输入变化；只对0、1进行操作。
                C语言逻辑表达式：只在程序执行过程中遇到时进行求值；允许参数是任何

                         整数。0表示FALSE,其他任何值都可以表示true。

                                            还有个属性就是：只可能被部分求值。

 

      4.2.3 字级的组合电路和HCL整数表达式

               在HCL中，将所有字级的信号都声明为int，不指定字的大小。

                 HCL允许比较字是否相等，如图4-12函数在字级上表示：bool Eq=（A==B);

                  执行字级计算的组合电路根据输入字的各个位，用逻辑门来计算输出字的各个位

       

      4.2.4 集合关系

               在处理器设计中，很多时候都需要将一个信号与许多可能匹配的信号做比较，以此来检测正在处理的某个指令代码是否属于某一类指令代码。

      4.2.5  储存器和时钟

                1:组合电路从本质上讲，不存储任何信息。它们只是简单的相应输入信号，产生

                    输入的某个函数的输出。

                2:为了产生时序电路，也就是有状态并且在这个状态上进行计算的系统，我

                  们必须引入按位存储信息的设备。

               3:存储设备都是由同一个时钟控制，时钟是一个周期性信号，决定什么时候要

                 把新值加载到设备中。

                 两种存储器设备：

                  时钟存储存器：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：存储多个字，用地址来选择该读或改写哪个字。

                4:大多数时候，寄存器都保持在稳定状态(x)，产生的输出等于它的当前状态。信号沿着寄存器前面的组合逻辑传播，这时，产生了一个新的寄存器输入(y)，但只要时钟是低电位的，寄存器的输出就仍然保持不变。当时钟变成高电位的时候，输入信号才加载到寄存器中，成为下一个状态y，直至下一个时钟的上升沿。寄存器是作为电路不同部分中的组合逻辑之间的屏障。每当每个时钟到达上升沿时，值才会从寄存器的输入传送到输出。

 

4.3 Y86的顺序实现

       SEQ执行处理一条所需的所有步骤，这需要一个很长的时钟周期时间，因此时钟的周期频率会低到不可接受。

 

4.3.1 将处理组织成阶段

取指：从存储器读取指令字节，地址为程序计数器的值。

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：算术/逻辑单元要么执行指令指名的操作，计算存储器引用的

        有效地址，要么增加或减少栈指针。

访存：将数据写入存储器，或者从存储器读出数据。数据存储器(CPU中)读出或写入

         一个存储器字。

写回：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:设置成下一条指令的地址。

4.3.2 SEQ时序的实现

         1:组合逻辑和两种存储器设备。

         2:取指阶段、译码和写回阶段、执行阶段、访存阶段。

         3:.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。

 

 

 

         

 

 

 

 

        

 

 

七、遇到的问题及解决

八：其他

       觉得书本内容过了一遍之后，还需要再详细的进行研究。

      参考了：上届的书籍，看了一些百度百科。