处理器体系结构

在《深入理解计算机系统》一书中，作者自己定义了一个新的指令集，Y86-64，它其实就是X86-64的精简版，来说明处理器的体系结构。

1、Y86-64指令集体系结构（ISA）

该指令集有15个程序寄存器、3个条件码、程序寄存器（PC）、程序状态、内存，如下所示。

下面是具体指令，左边是指令的会编码表示，邮编是字节编码，其中fn表示它可以取0～9任意数字，也就是它还有很多别的指令。具体看下面的图。

2、逻辑设计

在数字电路之中，最基本的逻辑电路就是与或非三个电路，后面所有的逻辑电路基本都是这三者组合而成。

3、Y86-64的实现顺序

一条指令，对于处理器来说，他会有以下操作：

<1>取指(fetch)：取指阶段从内存读取指令字节，地址为程序计数器的值。从指令中抽取出指令指示符字节的两个部分，称为icode(指令代码)和ifun(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。

<2>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，不过有些指令是寄存器%esp的。

<3>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，这个阶段会检验天骄码和传送条件（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。

<4>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。

<5>写回(write back):写回阶段最多可以写两个结果到寄存器文件。

<6>更新PC(PC update):将PC设置成下一条指令的地址。

4、 Y86的流水线实现

相较于前者的设计，所谓的流水线实现，就是将PC的计算放在了开始时，使之更加适合于流水线。