处理器体系结构

Y86指令集结构

对于Y86来说，它的程序猿可见状态就是这几种： 寄存器、存储器、条件码、PC、程序状态。

在Y86当中，寄存器依旧是8个，每一个寄存器可以存储一个字，也就是一个32位二进制。条件码是一个一位二进制的寄存器，保存着最近的算术或逻辑运算所造成的影响的信息。PC则是程序计数器，记录当前正在执行的指令的地址。

存储器则是一个很大的字节数组，Y86的程序可以使用虚拟地址（类似于数组的下标）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地址。最后一个程序状态（stat），它则代表着程序的运行情况。

以上便是程序猿可见的状态，或者说机器级程序可访问的CPU状态，我们在设计和实现一个处理器的时候，就是设计一系列指令去操作这些状态。

Y86指令集

接下来我们就看看Y86的指令集，这里LZ就直接上图了，这些指令其实都是从X86的指令集YY而来。

上面的指令相信大家都不会太陌生，LZ这里就不仔细的解释了，下面我们只简单的把每个指令的作用过一遍。

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。

指令编码

在图的右边，是指令所占的字节数或者说编码。一般两个寄存器占用一个字节，存储器则占用四个字节，指令的编码和功能占用一个字节。因此可以看到，比如rrmovl指令，它的字节长度是2，其中第一个字节代表了指令rrmovl，第二个字节代表了两个寄存器。

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。

对于寄存器的表示，是使用4个二进制位表示的，这是一个ID标识。所有的寄存器可以看做是一个寄存器文件，其中的ID标识就类似于它们的地址。对于一些只需要一个寄存器的指令来说，另一个寄存器标识位使用0xF表示。

还有的指令需要一个字的常数，比如irmovl指令，call指令等等。这种指令，将把常数放在最后的四个字节当中，顺序按照大端法或小端法表示（与机器和OS有关）。对于call指令来说，这四个字节就是一个地址，这个地址就是绝对地址，指向了存储器当中的某一个位置，这个位置存储着代码。采用绝对地址是为了描述简单，真实当中，是采取的基于PC的相对地址。

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）。

Y86程序

书中给出了一个示例程序，来说明X86和Y86的区别，其实两者是非常相似的，区别就在于，有的时候Y86需要两条指令来达到X86一条指令就可以达成的目的。

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。

总的来说，Y86就是一个X86的缩减版，它的目的是以简单的结构实现一个处理器，帮助我们了解处理器的设计和实现。有兴趣的猿友可以去观摩一下Y86程序生成的汇编代码，并进行逐一的分析，实际上，这与X86是十分类似的。

 

 

 

逻辑设计和硬件控制语言HCL

电子电路中，用1.0V左右的高电压表示逻辑1，用0.0V左右的低电压表示逻辑0.

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。

 

SEQ的时序 

组合逻辑不需要任何时序或控制——只要输入变化了，值就通过逻辑门网络传播。

我们也将读随机访问存储器(寄存器文件、指令存储器和数据存储器)看成和组合逻辑一样的操作。（写随机访问存储器需要等待高电平）

由于指令存储器只用来读指令，因此我们可以将这个单元看成是组合逻辑。（内存向指令存储器中写指令是CPU外部的事件 不属于CPU内的时序）

 

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。

 

要控制处理器中活动的时序，只需要寄存器和存储器的时钟控制。

因为指令运行计算的结果，写入寄存器或存储器中。

我们可以把取指、译码、执行等过程看做是组合逻辑的处理过程（因为它们不涉及写入寄存器）。把写回看做是另一个过程。

则整个过程可简化为下图所示：

 

【举例详解】

有如下指令：

0x000 ： irmovl  $0x100, %ebx

0x006 ： irmovl  $0x200, %edx

0x00c ： addl    %edx, %ebx

0x00e ： je  dest

0x013 ： rmmovl  %ebx, 0(%edx)

0x019 ： dest: halt

 

在我们的SEQ处理器中，一个时钟周期(即两次高电平时间的时间间隔)执行一条指令。

 

 

时钟周期3开始时(点1处)，一个高电平打入，地址0x00c载入程序计数器PC中。这样，与PC相连的MCU(主存控制单元)就在内存中把地址0x00c处的addl指令提取出来，加载到指令存储器中。（从内存中读取数据很慢，这个过程会很久，所以我们的时钟周期要很长，才能做到一个时钟周期执行一条指令）同时，PC的值加上addl指令的长度，得出新PC值，新PC值通过总线传播，等待下次高电平时写入PC。

 

组合逻辑指令存储器中的输入一变化，值(addl指令)就通过逻辑门网络传播。故，瞬间读出了寄存器文件中%edx、%ebx的值（因为读寄存器文件不需要高电平触发）

 

读出的%edx、%ebx的值瞬间流动到组合逻辑ALU中，ALU根据之前传播的addl指令，知道此为加法指令，瞬间计算出这两个值的结果valE。valE通过总线传播瞬间到达寄存器文件，但是此时还不能向寄存器文件写入，必须等待下次的高电平。

故此时，寄存器文件和存储器中保存的还都是上条指令的结果值。（点1、2处）

 

时钟周期4开始时(点3处)，一个高电平打入，上周期产生的新PC值写入程序计数器，上周期计算得到的addl的结果valE值写入寄存器文件中的%ebx中。

因为地址0x00e载入了程序计数器中，故会取出并执行跳转指令je。因为条件码ZF为0，所以不会选择分支。在这个周期末尾(点4)，程序计数器已经产生了新值0x013。但是直到下个周期开始之前，寄存器和存储器中的状态还是保持着addl指令设置的值。

 

【如此例所示，用时钟来控制状态元素的更新，以及值通过组合逻辑来传播，足够控制我们SEQ实现中每条指令执行的计算了。每次时钟由低变高时，处理器开始执行一条新指令。】

 

【读操作沿着这些单元传播，就好像它们是组合逻辑，而写操作是由时钟控制的。】

 

 

 

参考资料：http://blog.csdn.net/yang_yulei/article/details/22529437

              http://www.tuicool.com/articles/Zv6v6n

              http://www.cnblogs.com/20135202yjx/p/4888820.html

 

实验：

代码如下