第四章处理器体系结构 学习报告

第四章 处理器体系结构

4.1 Y86指令集体系结构

定义一个指令集体系结构，例如Y86，包括定义各种状态元素、指令集和他们的编码、一组变成规范和异常事件处理。

4.1.1 程序员可见的状态

①程序员可见的状态：Y86中每条指令都会读取或修改处理器状态的某些部分。这里的“程序员”既可以是用汇编代码写程序的人，也可以是产生机器代码的编译器。

Y86的处理器状态类似IA32。有8个程序寄存器：%eax,%ecx,%edx,%ebx,%esi,%esp和%ebp。处理器的每个程序寄存器存储一个字。

②存储器，从概念上来说是一个很大的字节数组，保存着程序和数据。Y86程序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那个地方。

4.1.2 Y86指令

Y86指令集基本上是IA32指令集的一个子集。它只包括四字节整数操作、寻址方式比较少、操作也较少。因为只有四字节数据，所以称之为“字”不会有任何歧义。

左边是指令的汇编码表示，右边是字节编码。汇编码格式类似于IA32的ATT格式。

4.1.3 指令编码

4.1.4 Y86异常

对于Y86，当遇到这些异常的时候，我们就简单的让处理器停业执行指令。

在更完整的设计中，处理器通常会调用一个异常处理程序，这个过程被指定用来处理遇到的某种类型的异常。

4.1.5 Y86程序

4.1.6 一些Y86指令的详情

4.2 逻辑设计和硬件控制语言HCL

4.2.1 逻辑门

4.2.2 组合电路和HCL布尔表达式

组合电路：讲很多的逻辑门组成一个网，就能构成计算块。

构建这些网有两条限制：①两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器故障。

②这个网必须是无环的。

4.2.3 字节的组合电路和HCL整数表达式

4.2.4 集合关系

4.2.5 存储器和时钟

4.3 Y86的顺序实现

4.3.1 将处理组织成阶段

下面是关于各个阶段以及各阶段内执行操作的简略描述：

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。

4.3.2 SEQ硬件结构

4.3.3 SEQ的时序

4.3.4 SEQ阶段的实现

4.4 流水线的通用原理

流水线化的一个重要特性就是增加了系统的吞吐量，也就是单位时间内服务的顾客总数，不过他也会轻微地增加延迟，也就是服务一个客户所需要的时间。

4.4.1 计算流水线

4.4.2 流水线操作的详细说明

4.4.3 流水线的局限性

不一致的划分

流水线过深，收益反而下降

4.4.4 带反馈的流水线系统

作业：

课后作业：2.90,2.82,3.55,3.62

2.90：

A: 格式 SEEEEEEE EMMMMMMM MMMMMMMM MMMMMMMM

pi的二进制数表示为：0 10000000 10010010000111111101011，

S: 为0，是个正数。
E:为 10000000 转为10进制为128，128-127=1，即实际指数部分为1.
M:为 10010010000111111101011。 这里，在底数左边省略存储了一个1，使用 实际底数表示为 1.10010010000111111101011 ， 它表示的二进制小数值为：11.10010010000111111101011

B.根据2.82，可知1/7的表示为0.001001[001]...， 所以22/7为11.001001001001001[001]...

C.从第9位开始不同。

2.82

A.

令x为无穷序列表示的值，可以得到

x*2^k = Y + x

所以

x = Y/(2^k - 1)

B. (a) y=001,k=3,带入公式得：

x=1/7

(b) y=1001,k=4,带入公式得：

x=9/15 = 3/5

(c)y=000111,k=6,带入公式得：

x=7/63 = 1/9

3.55

大概算法如下：

x的高32位为xh，低32位为xl。

y的符号位扩展成32位之后为ys（ys为0或者-1）。 dest_h = (xl*ys)_l + (xh*y)_l + (xl*y)_h dest_l = (xl*y)_l

注意，所有的乘法都是unsigned*unsigned。

也就是说对于 1*(-1)，如果存入两个寄存器中，那么高32位是0，低32位是-1。 相当于 1*(UNSIGNED_MAX)。

3.62

M = 76/4 = 19;

i在edi中，j在ecx中;

int transpose(int M, int A[M][M]) {

int i,j;

for(i=0; i<M; ++i) {

int *a = &A[i][0];

int *b = &A[0][i];

for(j=0; j<i; ++j) {

int t = *a;

*a = *b;

*b = t;

++a;

b += M;

}

}

}