第四章------处理器体系结构

1.一个处理器支持的指令和指令的字节级编码称为它的 指令集体系结构 （Instruction-Set Architecture, ISA）.

2.硬件寄存器如何工作的？

       如下图所示，大多数时候，寄存器都保持在稳定状态(用x表示)，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(用y表示)，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，输入信号就加载到寄存器中，成为下一个状态y，直到下一个时钟上升沿，这个状态就一直是寄存器的新输出。关键是寄存器视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。我们的Y86-64处理器会用时钟寄存器保存程序计数器(PC)、条件代码(CC)和程序状态(Stat)。

3.将处理组织成阶段

通常，处理一条指令包括很多操作。将它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。每一步的具体处理绝于正在执行的指令。创建这样一个框架，我们就能够设计一个充分利用硬件的处理器。下面的关于各个阶段以及各阶段内执行操作的间略描述:

●取指(fetch)：取指阶段从内存读取指令字节，地址为程序计数器(PC)的值。从指令中抽取出指令指示符字节的两个四位部分，称为icode(指令代码)和ifcun(指令功能)。它可能取出一个寄存器指示符字节，指明一个或两个寄存器操作数指示符rA和rB。它还可能取出一个四字节常数字valC。它按顺序方式计算当前指令的下一条指令的地址valP。也就是说，valP等于PC的值加上已取出指令的长度。

●译码(decode)：译码阶段从寄存器文件读入最多两个操作数，得到值valA和/或valB。通常，它读入指令rA和rB字段指明的寄存器，不过有些指令适度寄存器%rsp的。

●执行(execute):在执行阶段，算术/逻辑单元(ALU)要么执行指令指明的操作(根据ifun的值)，计算内存引用的有效地址，要么增加或减少栈指针。得到的值我们称为valE。在此，也可能设置条件码。对一条条件传送指令来说，这个阶段会检验 条件码和传送条件(由ifun给出)，如果条件成立，则更新目标寄存器。同样，对一条跳转指令来说，这个阶段会决定是不是应该选择分支。

●访存(memory)：访存阶段可以将数据写入内存，或者从内存读出数据。读出的值为valM。

●写回(write back)：写回阶段最多可以写两个结果到寄存器文件。

●更新PC(PC update):将PC设置成下一条指令的地址。

处理器无限循环，执行这些阶段。在我们简化的实现中，发生任何异常时，处理器就会停止:它执行halt指令或非法指令，或它试图读或者写非法地址。在更完整的设计中，处理器会进入异常处理模式，开始执行由异常的类型决定的特殊代码。