信息安全程序设计基础第五周学习总结

第四章 处理器体系结构

4.1 Y86指令集体系结构

一、程序员可见的状态

程序员可见状态：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

--8个程序寄存器：%eax,%ecx,%edx,%ebx,%esi,%edi,%esp,%ebp.他们都可以存储一个字;

%esp被入栈、出栈、调用和返回指令作为栈指针;

其他情况时寄存器没有固定的含义或固定值

--3个一位条件码：ZF、OF、SF.保存最近的算术或逻辑指令所造成影响的有关信息

--PC（程序计数器）：存放当前正在执行指令的地址。

--存储器：一个很大的字节数组，保存着程序和数据；

Y86用虚拟地址来引用存储器位置，硬件和操作系统软件联合起来将虚拟地址翻译成实际或物理地址，指明数据实际保存在存储器中哪个地方

--Stat：状态码，程序状态的最后一个部分，表明程序执行的总体状态，指示是正常运行还是出现了某种异常

二、Y86指令

--halt：这个指令将会终止指令的执行。

--nop：这是一个占位指令，它不做任何事情，后续为了实现流水线，它有一定的作用。

--xxmovl：这是一系列的数据传送指令，其中r代表寄存器，m代表存储器，i代表立即数。比如rrmovl指令，则代表将一个寄存器的值，赋给另外一个寄存器。

--opl：操作指令，比如加法，减法等等。

--jxx：条件跳转指令，根据后面的条件进行跳转。

--cmovxx：条件传送指令，后面的xx代表的是条件。特别的是，条件传送只发生在两个寄存器之间，不会将数据传送到存储器。

--call与ret：方法的调用和返回指令。一个将返回地址入栈，并跳到目标地址。一个将返回地址入PC，并跳到返回地址。

--push与pop：入栈和出栈操作。

三、指令编码

--对于opl、jxx、cmovxx指令来说，都有一个fn标识，占用4个二进制位（半个字节）。这个便是指令的功能部分，这个是由于它们的指令编码一样，但功能有所不同所造成的。比如对于opl，就有加、减、与、异或等操作，那么它们的指令编码第一个字节就分别为十六进制的60、61、62、63。

--Y86指令集图中可看见指令的字节级编码。每条指令需要1-6个字节不等。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位是代码部分，低4位是功能部分。功能值只有在一组相关指令共用一个代码时才有用。

--有的指令只有一个字节长，因为可能附加有寄存器指示符字节，指定一个或两个寄存器。这些寄存器字段为rA,rB。有则有，无则无，只有一个的则将第二个设为0xF。

四、Y86异常

--对于Y86来说，程序猿可见的状态中就有stat状态码，它标识了程序执行的状态。Y86需要有能力根据stat去做一些处理。不过为了简单起见，这里除了正常执行之外，都将停止指令的执行。真实当中，会有专门的异常处理程序。

--Y86有四种不同的状态码，AOK（正常）、HLT（执行halt指令）、ADR（非法地址）和INS（非法指令）。

五、Y86程序和Y86指令详情

--比如对于X86指令中的 addl $4,%ecx 这样的指令，由于Y86当中的addl指令中不包含立即数，所以Y86需要先将立即数存入寄存器，即使用irmovl指令，然后再使用addl来处理加法运算。

--创建Y86代码的唯一工具是汇编器。

--以“.”开头的词是汇编命令，他们告诉汇编器调整地址，以便在那儿产生代码或插入一些数据。命令.pos0告诉编译器应该从地址0处开始产生代码。这个地址是所有Y86程序的起点。

4.2 逻辑设计和硬件控制语言HCL

一、逻辑门

--逻辑门产生的输出，等于它们输入位值的某个布尔函数。

--AND &&

OR ||

NOT !

二、组合电路和布尔表达式

--逻辑门产生的输出，等于它们输入位值的某个布尔函数。

--两个或多个逻辑门的输出不能连接在一起，否则可能会使线上的信号矛盾，导致一个不合法的电压或电路故障。

--网必须无环。

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

--算数/逻辑单元（ALU）是很重要的组合电路，有三个输入，标号为A、B的两个数据输入和一个控制输入。根据控制输入的设置，电路会对数据输入执行不同的算数或逻辑操作。

四、集合关系

--判断集合关系的通用格式是：iexpr in {iexpr1,iexpr2,...,iexprk}

五、存储器和时钟

--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（简称存储器）存储多个字，用地址来选择该读或该写哪个字

4.3 Y86的顺序实现

一、将处理组织成阶段

 

--取指：取指阶段从存储器读取指令字节，地址为程序计数器PC的值

 

--译码：译码阶段从寄存器文件读入最多两个操作数

 

--执行：在执行阶段，算数/逻辑单元要么根据ifun的值执行指令指明的操作，计算机存储器引用的有效地址，要么增加或减少栈指针

 

--访存：访存阶段可以将数据写入存储器，或从存储器读出数据

 

--写回：写回阶段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

二、SEQ硬件结构和时序：看书上P258图

三、SEQ阶段的实现

--取指阶段:取指阶段包括指令存储器硬件单元。以PC作为第一个字节（字节0）的地址，这个单元一次从存储器读出6个字节，第一个字节被解释称指令字节，分为两个4位数。标号为“icode”和“ifun”的控制逻辑块计算指令和功能码等于从存储器读出值，或者当指令地址不合法时（imem_error指明），这些值对应于nop指令。

--译码和写回阶段：都要访问寄存器文件。寄存器文件有四个端口，支持同时进行两个读（端口A、B）和两个写（E、M），每个端口都有一个地址连接和一个数据连接。根据指令代码icode以及寄存器指示值rA和rB，可能还会根据执行阶段计算出的Cnd条件信号。

--执行阶段：执行阶段包括算术/逻辑单元（ALU）第一步每条指令的ALU计算，执行阶段还包括条件码寄存器。

--访存阶段：访存阶段的任务是读或者写程序数据，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操作还是写操作。当执行读操作时数据存储器产生值valM。

--更新PC阶段：SEQ中最后一个阶段会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、valP

*实验楼

*遇到的问题

希望老师讲一下为什么指令pop%esp，会使函数的返回Oxabcd,以及其他的Y86指令也会这样吗

*参考资料

-最重要当然是书，好多概念都是照着书打的

-参考了闫佳歆的博客，主要是看她重点学习了哪里，我也照着学