20155318 《信息安全系统设计基础》第十四周学习总结
20155318 《信息安全系统设计基础》第十四周学习总结
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找出全书你认为学得最差的一章,深入重新学习一下,要求(期末占5分):
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总结新的收获
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给你的结对学习搭档讲解或请教,并获取反馈
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我选择教材第四章《处理器体系结构》 的内容来深入学习,在之前的学习中,由于各种原因,对那一章的教材学习和实践学习都有欠缺,这里决定重新学习一下。该章主要讲解了如下几个方面的问题:
- Y86-64指令集体系结构
- 逻辑设计和硬件控制语言HCL
- Y86-64的顺序实现
- Y86-64的流水线实现
基本知识
- 处理器:执行一系列指令完成相应功能
- 指令体系结构:处理器支持的指令和指令的字节级编码
- 指令集在机器型号上有着一定要求(不同型号相互兼容)
- 通过处理多条指令的不同部分(流水线)提高性能
Y86-64指令集体系结构
与x86-64相比,Y86-64指令集的数据类型、指令和寻址方式更少,字节级编码也比较简单,机器代码没有相应的x86-64代码紧凑
程序员可见状态
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Y86程序中的每条指令都会读取或者修改处理器状态的某些部分。这称为程序员可见状态
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程序员可见状态为:
- 15程序寄存器(RF):%rax、%rcx、%rdx、%rbx、%rsp、%rbp、%rsi、%rdi、%r8-%r14(每个程序寄存器存储一个64位的字)
- 3个条件码(CC):ZF、SF、OF,保存着最近的算数或逻辑指令所造成影响的有关信息。
- 程序状态(Stat):AOK、HLT、ADR、INS,表明程序执行的总体状态
名字 含义 AOK 正常操作 HLT 遇到器执行halt指令 ADR 遇到非法地址 INS 遇到非法指令 - 程序计数器(PC):存放当前正在执行指令的地址
- 内存(DMEM)
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指令模拟器,称为YIS,他的目的是模拟Y86-64机器代码程序的执行,而不用试图模拟任何具体处理器实现的行为
Y86-64指令
- 是x86-64指令集的一个子集,寻址方式较少,操作数也较少
- halt:该指令占1个字节,用十六进制表示为「00」,用于停止指令的执行
- nop:该指令占1个字节,用十六进制表示为「10」,占位指令
- movq:第一个字母就表明了源的类型,第二个字母指明了目的的类型
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irmovq V rB:该指令占10个字节,用十六进制表示为「30 FrB V」,将立即数V放入寄存器rB中
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rrmovq rA,rB:该指令占2个字节,用十六进制表示为「20 rArB」,指令作用是将rA寄存器中的值放入rB寄存器中
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.mrmovq D(rB),rA:该指令占10个字节,用十六进制表示为「50 rArB D」,将以“rB+D”为地址的内存单元中的数放入寄存器rA中
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rmmovq rA,D(rB):该指令占10个字节,用十六进制表示为「40 rArB D」,将rA寄存器中的值放入以“rB+D”为地址的内存单元中
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两个内存传送指令中的存储器引用方式是简单的基址和偏移量形式。在地址计算中,我们不支持第二变址寄存器和任何寄存器值的伸缩。不允许从一个内存地址直接传送到另一个内存地址。也不允许将立即数传送到内存
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OPq rA,rB:整数操作指令(4个),将寄存器rA和寄存器rB中的值做整数运算,并把结果存入rB寄存器中
- addq
- subq
- andq
- xorq
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jXX Dest:跳转指令(7个),跳转到以Dest为地址的代码处,该指令占9个字节
- jmp
- jle
- jl
- je
- jne
- jge
- jg
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cmovXX rA,rB为条件传送指令(6个),其指令格式同rrmovq指令,不同点是只有当条件码满足需要的约束时才会更新目的寄存器的值。该指令占2个字节
- cmovle
- cmovl
- cmove
- cmovne
- cmovge
- cmovg
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call Dest指令:将返回地址入栈,然后跳到Dest指向的目的地址
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ret指令:从call指令的调用中返回。
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pushq rA:入栈指令,将rA寄存器中的值压入栈顶
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popq rA:出栈指令,将栈顶元素弹出到rA寄存器中
指令编码
- 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:代码部分
- 低4位:功能部分(功能值只有在一组相关指令共用一个代码时才会有用)
- 指令的字节级编码规则:每条指令的第一个字节表明指令的类型。分为两个部分,高4位是代码部分,低4位是功能部分。代码值为0~0xB,功能值只有在一组相关指令共用一个代码时才有用。
- 15个程序寄存器当中,每个都有一个相对应的0~0xE之间的寄存器标识符。
- 程序寄存器存在CPU中的一个寄存器文件中,这个寄存器文件就是一个小的、以寄存器ID作为地址的随机访问存储器。
- 分支指令和call指令,就没有寄存器指示符字节。
- 只需要一个寄存器操作数的指令(irmovq、pushq、popq)将另一个寄存器指示符设为0xF。
- 指令集的一个重要性质就是字节编码必须有唯一的解释。
逻辑设计和硬件控制语言HCL
为实现一个数字系统需要三个主要的组成部分:
- 计算对位进行操作的函数的组合逻辑
- 存储位的存储单元
- 控制存储器单元更新的时钟信号
逻辑门
- 是数字电路的基本计算单元
- 输出=输入位值的某个布尔函数。
- 只对单个位的数进行操作,而不是整个字
- 对应HCL表达式
1. AND:&& 2. OR:|| 3. NOT:!
- 逻辑门总是活动的,一旦输入变化,极短的时间内,输出就会相应变化
组合电路和HCL布尔表达式
HCL中多路复用函数是用情况表达式来描述的,其通用格式如下:
[
select 1 : expr 1
select 2 : expr 2
.
.
.
select k : expr k
]
select i表示第i种情况的布尔表达式(表明什么时候选择这种情况),expr i表示在这种情况下的表达式(表明得到的值)。
- 用情况表达式来描述下图字级多路复用选择电路为:
word Out = [
s: A;
1: B;//选择表达式为“1”,表示如果前面没有情况被选中,那就选择这种情况
];
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很多逻辑门组合成一个网构建的计算块。注意两个或多个输出不能连接在一起,并且必须无环。
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HCL表达式与C语言中的表达式的区别如下:
- 由于组合电路是由一系列的逻辑门组成。HCL中输出会持续随着输入变化而变化。而C语言中只有在程序执行到的时候才进行求值。
- C语言中,0是FLASE,除了0以外的所有整数都是TRUE,而HCL只对0和1操作。
- C中&&和||这两种,是优先求值,(&和|并不是)第一个值就能确定结果的话,它不会去计算第二个值。但是HCL中并没有这样的规则。
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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
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多路复用函数是用情况表达式来描述的。与C不同其不要求不同的选择表达式之间互斥
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组合电路从本质上讲,不存储任何信息。他们只是简单地响应输入信号,产生属于输入的某个函数的输出。
存储器和时钟
- 时序电路:有状态并在这个状态上进行计算的系统
- 时钟寄存器: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(存储器)存储字,用地址来选择该读或该写那个字。
- 寄存器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的时候,值才会从寄存器的输入传送到输出
集合关系
我们可以用下面这种形式简化的表示集合关系:
iexpr in {iexpr1,iexpr2,…,iexprk}//iexpr为被测试的值,iexpr1~iexprk位待匹配的值,他们均为整数表达式
Y86的顺序实现
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处理一条指令包括很多的操作。将他们组织成某个特殊的阶段序列,即使指令的动作差异很大,但所有的指令都遵循统一的序列。
六个阶段内执行的操作:- 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,得到val A/val B.
- 执行:执行阶段,算术/逻辑单元要么执行指令明确的操作(根据ifun的值),计算存储器引用的有效地址,要么增加或减少栈指针。得到的值称为valE
- 访存:访存阶段可将数据写入存储器或从存储器读出数据
- 写回:最多可写两个结果到存储器。
- 更新PC:将PC设置成下一指令的地址。
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处理器无限循环,执行这些阶段,在简化的实现中,一旦发生任何异常,处理器就会停止。
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程序计数器放在寄存器中,位于左下角PC。
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信息随着线流动,方向是先向上再向右
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反馈先祖在右边向下
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所有硬件单元的处理都在一个时钟周期内完成。
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浅灰色方块表示硬件单元
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控制逻辑块是用灰色圆角矩形表示的
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线路的名字在白色椭圆中说明
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宽度为字长或更窄的数据连接用细线
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单个位的连接用虚线。
SEQ的时序
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SEQ的实现包括组合逻辑和两种存储器设备:
- 时钟寄存器、程序计数器和条件码寄存器,随机访问存储器。
- 程序计数器、条件码寄存器。数据内存和寄存器文件。
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SEQ阶段的实现:
- 取指阶段(包括指令内存硬件单元):以PC为第一个字节的地址,一次从内存读10个字节。根据icode的值我们可以确定下面三个一位的信号:
instr_valid:用于发现不合法的指令 need_regids:是否包含寄存器指示符字节 need_valC:是否包括常数字
- 译码和写回阶段:寄存器文件有四个端口,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(64根线路),既可以作为寄存器文件的输出字,又可以作为它的输入字。
- 执行阶段:包括算数/逻辑单元(ALU),输出为valE信号。
- 访存阶段:读或者写程序数据。两个控制块产生内存地址和内存输入数据的值。另外两个块产生表明应该执行读还是写操作的控制信号。当执行读操作时,数据内存产生valM。
- 更新PC阶段:SEQ的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或者valP。
流水线
- 由时钟信号控制,使多条指令不同阶段可以同时执行,增加了延迟,提升吞吐量
- 问题:流水阶段长度不一,流水线深度过大插入寄存器影响性能
- 因为存在反馈的流水线(即一条指令可能需要多次执行某个操作,或使用某个数据,访问某个存储器或寄存器)导致流水线冒险(数据,控制)
- 数据冒险解决方案:暂停(系统判断是否会产生冒险,会则插入气泡,延迟下条指令执行),转发(使产生的结果理解送入需要的位置,避免暂停),加载\使用(当存储器读发生较晚时需要暂停和转发机制同时使用)
- 异常处理
- 控制逻辑和机制
- 处理return:暂停流水线直到ret指令到达写回阶段
- 加载/使用冒险:在对存储器读和使用之间需要暂停一个周期
- 预测错误分支:当预测失败时应该可以返回到之前状态,去掉错误指令
- 异常:出现异常时,停止后序指令执行,并避免当前异常指令写回
- 性能分析
- CPI=1+处罚项(预测错误+返回+暂停)
- 目标:使CPI=1;一个周期执行一条指令
教材习题学习
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4.2
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确定下列每个字节序列所编码的Y86-64指令序列。如果序列中有不合法的字节,指出指令序列中不合法值出现的位置。每个序列都先给出了起始地址,冒号,然后是字节序列。
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解析:本题考察“字节序列与Y86-64指令之间的转换”。此题关键要根据“代码部分”(即指令编码的前4位)确定其指令编码长度,从而将一个整体的编码划分为不同的指令。
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A.根据“30”找到“irmovq”指令,由指令结构可知接下来的8个字节为相应的立即数;同理,取40为“rmmovq”指令;最后的“00”为停止执行指令。
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B.代码包含函数调用。其余分析方式与A类似,也是根据指令编码寻找指令;再根据指令的结构选取合适的位数进行切割。由于此代码涉及到了系统调用,所以需要有函数的相关信息(proc),如起始地址等。
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C.代码包含非法指令字节0xf0。查询Y86-64的指令集,我们并没有找到f0对应的指令。
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4.3
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解析:有了iaddq指令,我们可以省去P251页Y86-64代码中的第2-3行,直接用iaddq $8,%rdi和iaddq $-1,%rsi两条指令替换10-11行。
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4.4
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解析:此题涉及到我们常用的几种操作:
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xorq %rax,%rax:用异或来给某个数置零
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andq %rsi,%rsi: 自身相与来设置条件码,判断一个数是否为0
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用pushq ……和popq ……来保护某个寄存器中的值
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用xorq %r11,%r11和subq %r10,%r11加上跳转语句jle……来取一个数的绝对值:当前%r11中的值为%r10的值的相反数,如果执行subq %r10,%r11后%r11小于等于0,则说明%r10中的值为正数,绝对值为其本身,如果%r11的值大于0,则说明%r10的值为负,用rrmovq %r11,%r10给%r10取反。
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此外,我们还经常用“x∧0”来给一个数置0,用“x∨1”来给一个数置1.
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4.9
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解析:EXCLUSIVE-OR函数要求两个位有相反的值
bool xor = (!a&&b)||(a&&!b);
(通常信号eq和xor是互补的,一个为1,另一个就为0)
- 4.10
- 解析:EXCLUSIVE-OR电路的输出是位相等值的互补。根据德摩根定律,我们能用OR和NOT实现AND。
- 4.11
- 解析:将第二行判断换成“A<=C:B”或“B<=C:B”,因为进入到第二行的前提是A不是最小的如果在此基础上A还小于等于C,则说明B是最小的,换个角度思考,如果A不是最小的,那么B和C中较小的就是最小的;
- 4.12
- 解析:这个题除了可以像答案中那样分每种情况讨论,也可以结合“&&”和“||”等符号,将同时输出“B”的情况连接在一起,如“(A<=B && B<=C) || (C<=B && B<=A) : B;”
- 4.24
- 解析:这里我们要改编dstE的HCL代码来实现条件传送指令,其实只需要在rrmovq对应的分支加一个判断Cnd信号的操作,如下所示:
int dstE = [
icode in { IRRMOVQ } && Cnd: rB;
icode in { IIRMOVL, IOPL } : rB;
icode in { IPUSHQ, IPOPL, ICALL, IRET } : RESP;
1 : RNONE; # Don’t need register
];
代码托管
上周考试错题总结
错题解析:对于E选项,书本P270旁注部分对于jxx
命令访存部分是空着的,因此jxx
命令没有访存操作
错题解析:对于D选项,书本关于磁盘操作写道:在任何时刻,所有的读/写头都位于同一个柱面上,因此D选项正确
错题解析:对于C选项,DRAM是动态随机存储器。SRAM是静态随机存取存储器,且工作时需要刷新。与动态RAM比,静态RAM的读写速度要快,集成度也较低。
结对及互评
本周结对学习情况
其他(感悟、思考等)
课程的学习接近尾声,老师布置的重学自认为学的最差的一章,让我发现了自己在之前学习中的许多疏漏和不足,,希望通过这周的学习能够查漏补缺,尽快补齐老师之前所要求的学习内容。
学习进度条
代码行数(新增/累积) | 博客量(新增/累积) | 学习时间(新增/累积) | 重要成长 | |
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目标 | 5000行 | 30篇 | 400小时 | |
第一周 | 0/0 | 1/1 | 3/3 | |
第二周 | 100/100 | 1/2 | 3/6 | |
第三周 | 300/400 | 1/3 | 4/10 | |
第四周 | 0/400 | 2/5 | 2/12 | |
第五周 | 25/425 | 1/6 | 4/16 | |
第六周 | 181/606 | 3/9 | 10/26 | |
第七周 | 201/807 | 2/11 | 7/33 | |
第八周 | -(包括脚本无意义)/6719 | 2/13 | 7/40 | |
第九周 | 396/7115 | 3/16 | 4/44 | |
第十周 | 1160/8275 | 2/18 | 4/49 | |
第十一周 | 135/8410 | 3/21 | 5/54 | |
第十三周 | 317/8727 | 1/22 | 8/62 | |
第十四周 | 105/8832 | 1/23 | 5/67 |
尝试一下记录「计划学习时间」和「实际学习时间」,到期末看看能不能改进自己的计划能力。这个工作学习中很重要,也很有用。
耗时估计的公式
:Y=X+X/N ,Y=X-X/N,训练次数多了,X、Y就接近了。
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计划学习时间:5小时
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实际学习时间:5小时
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改进情况:
(有空多看看现代软件工程 课件
软件工程师能力自我评价表)