处理器体系结构

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）。

Y86-64指令集体系结构

程序员可见状态

Y86-64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，这称为程序员可见状态。

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每个程序寄存器存储一个64位的字。寄存器%rsp被入栈、出栈、调用和返回指令作为栈指针，除此之外寄存器没有固定的含义或固定值。条件码ZF、SF、OF保存着最近的算术或逻辑指令所造成影响的有关信息。程序计数器PC存放当前正在执行指令的地址。

内存从概念上说是一个很大的字节数组，保存着程序和数据。Y86-64程序用虚拟地址来引用内存位置。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，指明数据实际存在内存中哪个地方。

状态码Stat表明程序执行的总体状态，会指示是正常运行还是出现了某种异常。

Y86-64指令

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movq指令分成了4个不同指令：irmovq，rrmovq，mrmovq，rmmovq，分别显式的指明源和目的的格式，源可以时立即数i，寄存器r，内存m。指令名字第一个字母表明源的类型。目的可以是寄存器或内存，第二个字母指明了目的类型。
有4个整数操作指令，addq、subq、andq、xorq，只对寄存器数据进行操作。这些指令会设置三个条件码，ZF零，SF符号，OF溢出。
7个跳转指令，jmp，jle，jl，je，jne，jge，jg。根据指令的类型和条件代码的设置来选择分支。
6个条件传送指令，cmovle，cmovl，cmove，cmovne，cmovge，cmovq。这些指令的格式与寄存器-寄存器传送指令rrmovq一样，但是只有当条件码满足所需要的约束时，才会更新目的寄存器的值。
call指令将返回地址入栈，然后跳转到目的地址，ret指令从这样的调用中返回。
pushq和popq指令实现了入栈和出栈。
halt指令停止指令的执行，执行halt指令会导致处理器停止，并将状态码设置为HLT。

指令编码

每条指令需要1-10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，高4位是代码code部分，低4位是功能function部分。

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15个程序寄存器中每一个都有一个相对应的范围在0到0xE之间的寄存器标识符Register ID。

Y86-64异常

状态码：AOK表示程序执行正常，其他的代码表示发生了某种类型的异常。HLT表示处理器执行了一条halt指令。ADR表示处理器试图从一个非法内存地址读或者向一个非法内存地址写。INS表示遇到了非法的指令代码。

逻辑设计和硬件控制语言HCL

大多数现代电路技术都是用信号线上的高电压或低电压来表示不同的位值，当前技术中，逻辑1是用1.0伏特左右的高电压表示的，逻辑0是用0.0伏特左右的低电压表示的。

实现一个数字系统，需要三个主要组成部分：计算对位进行操作的函数的组合逻辑，存储位的存储器单元，控制存储器单元更新的时钟信号。

逻辑门

逻辑门是数字电路的基本计算单元。

组合电路和HCL布尔表达式

将很多的逻辑门组合成一个网，就能构建计算块，成为组合电路。

字级的组合电路和HCL整数表达式

算术/逻辑单元ALU。

集合关系

存储器和时钟

组合电路从本质上讲，不存储任何信息。相反，它们只是简单的相应输入信号，产生等于输入的某个函数的输出。为了产生时序电路，也就是有状态并且在这个状态上进行计算的系统，我们必须引入按位存储信息的设备。存储设备都是由同一个时钟控制的，时钟是一个周期性信号，决定什么时候要把新值加载到设备中。

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。
随即访问存储器，存储多个字，用地址来选择该读或写哪个字。

Y86-64的顺序实现

将处理组织成阶段

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ifun指令功能。
译码decode，译码阶段从寄存器文件读入最多两个操作数。
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，计算内存引用的有效地址，要么增加或减少指针。
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。
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。

SEQ硬件结构

流水线的通用原理

（未完成）

第四章：处理器体系结构