顺序处理器SEQ的HCL代码分析

目录

为什么要分析 

F阶段

D阶段

E阶段

M阶段 

更新PC阶段

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为什么要分析 

本书提供了SEQ和PIPE的HCL描述，完整的研究它们是很值得的。本文来分析SEQ的HCL代码。分析的方式就是以下面中的几个指令（rrmovq、ret、pushq）为例，跟着HCL控制逻辑的六个阶段走一遍。

F阶段

确定icode和ifun，这个都一样，分析写在注释里了。

################ 取指令阶段     ###################################

# 确定指令码（即前四位）
word icode = [
    imem_error: INOP;  # 如果这条指令的icode取失败了，对于这个字节就什么都不做了，视为nop
    1: imem_icode;  
];

# 确定指令函数（即后四位，jXX、cmovXX和OPq才有区别，其余都默认为0）
word ifun = [
	imem_error: FNONE; # 如果这条指令的icode取失败了，ifun自然也取不出来，icode视为INOP，ifun理应为默认值，即0
	1: imem_ifun;
];

然后是确定指令是否有效，把你这个处理器能处理的全部指令放进集合：

bool instr_valid = icode in 
	{ INOP, IHALT, IRRMOVQ, IIRMOVQ, IRMMOVQ, IMRMOVQ,
	       IOPQ, IJXX, ICALL, IRET, IPUSHQ, IPOPQ };

对于rrmovq来说，需要寄存器参数、无需常数参数。所以在下面两个集合中，分别是：有 、无。

对于ret来说，不需要寄存器参数，不需要常数参数，所以是：无、无。

对于pushq来说，需要寄存器参数，不需要常数参数，所以是：有、无。

bool need_regids =
	icode in { IRRMOVQ, IOPQ, IPUSHQ, IPOPQ, 
		     IIRMOVQ, IRMMOVQ, IMRMOVQ };


bool need_valC =
	icode in { IIRMOVQ, IRMMOVQ, IMRMOVQ, IJXX, ICALL };

D阶段和W阶段

接下看看译码阶段。

对于rrmovq来说，只有一个读源，是rA。所以若icode是IRRMOVQ，那么srcA=rA，srcB=RNONE（RNONE的值为0xF，表明不需要访问寄存器 ）

对于ret来说，有两个读源，读出来两个%rsp。我猜应该是为了后续代码简便所以弄了个备份。此处待补，我认为一个读源就可以实现ret。

对于pushq来说，有两个读源，是rA和%rsp（因为稍后%rsp要自减8，所以得先直到%rsp现在存的是几）。所以若icode是IPUSHQ，那么srcA=rA，srcB=RRSP。

################ 译码阶段（确定寄存器的两个读源和两个写目标） ######################

word srcA = [
	icode in { IRRMOVQ, IRMMOVQ, IOPQ, IPUSHQ  } : rA;
	icode in { IPOPQ, IRET } : RRSP;
	1 : RNONE; # Don't need register
];


word srcB = [
	icode in { IOPQ, IRMMOVQ, IMRMOVQ  } : rB;
	icode in { IPUSHQ, IPOPQ, ICALL, IRET } : RRSP;
	1 : RNONE;  # Don't need register
];

再看两个写的目标：

 rrmovq 就是把R[rB]的值改为R[rA]，只有一个写目标，那为什么多了个“&& cnd”？

（提示：考虑rrmovq与cmov完全等价。）

其实，如果忽略条件传送指令，那么确实IRRMOVQ可以和下一行合并。至于如何考虑条件传送指令，这在练习4.24有解答。

ret 会把%rsp修改（自增8）

pushq会把%rsp修改（自减8）

word dstE = [
	icode in { IRRMOVQ } && Cnd : rB;
	icode in { IIRMOVQ, IOPQ} : rB;
	icode in { IPUSHQ, IPOPQ, ICALL, IRET } : RRSP;
	1 : RNONE;  # Don't write any register
];


word dstM = [
	icode in { IMRMOVQ, IPOPQ } : rA;
	1 : RNONE;  # Don't write any register
];

如果忽略条件传送指令，那么确实IRRMOVQ可以和下一行合并 如何考虑条件传送指令，这在练习4.24有解答。 练习4.24的答案

译码阶段分析完成。

E阶段

接下来看执行阶段。

对于 rrmovq，要在该阶段执行的内容是valE=R[rA]。则第一个参数是valA（就是R[srcA]，srcA就是rA）,第二个参数是0，做加法，结果存到变量valE中。

对于ret，要在该阶段执行的内容是valE=R[%rsp]+8。则第一个参数是立即数8，第二个参数是valA（%rsp的值），做加法。

对于pushq，要在该阶段执行的内容是valE=R[%rsp]-8。则第一个参数是立即数-8，第二个参数是valA（%rsp的值），做加法。

################ 执行阶段   ###################################

# 给计算单元的第一个参数赋值
word aluA = [
	icode in { IRRMOVQ, IOPQ } : valA;
	icode in { IIRMOVQ, IRMMOVQ, IMRMOVQ } : valC;
	icode in { ICALL, IPUSHQ } : -8;
	icode in { IRET, IPOPQ } : 8;
	# Other instructions don't need ALU
];

# 给计算单元的第二个参数赋值
word aluB = [
	icode in { IRMMOVQ, IMRMOVQ, IOPQ, ICALL, 
		      IPUSHQ, IRET, IPOPQ } : valB;
	icode in { IRRMOVQ, IIRMOVQ } : 0;
	# Other instructions don't need ALU
];

下面这两个变量很简单，只有OPq的四个指令的两个参数之间所做的运算是需要自定义的，其他一律都是加法。且只有OPq指令执行完后更新条件码。

# 确定计算单元给两个参数做什么运算
word alufun = [
	icode == IOPQ : ifun;
	1 : ALUADD;
];

# 该指令是否更新条件码？
bool set_cc = icode in { IOPQ };

 M阶段 

访存只干一件事：要么把valE写进内存某处，要么将内存某处的东西写入变量valM。

究竟是读还是写，与究竟在处理哪个指令有关。

对于 rrmovq，无需访存，既不读也不写。

对于ret，需要从内存（栈）中得到返回位置，所以是读。

对于pushq，压栈，是写。

################ 访存阶段    ###################################

## Set read control signal
bool mem_read = icode in { IMRMOVQ, IPOPQ, IRET };

## Set write control signal
bool mem_write = icode in { IRMMOVQ, IPUSHQ, ICALL };

刚刚提到的“某处”，就是mem_addr变量，其值就取上文出现过的变量（如valA、valB、valC、valE等） 。

对于ret，从rsp所指向的内存位置读，所以mem_addr=valA。

对于pushq，在rsp所指向的内存位置开始写，所以mem_addr=valE。写什么？valA

## Select memory address
word mem_addr = [
	icode in { IRMMOVQ, IPUSHQ, ICALL, IMRMOVQ } : valE;
	icode in { IPOPQ, IRET } : valA;
	# Other instructions don't need address
];

## Select memory input data
word mem_data = [
	# Value from register
	icode in { IRMMOVQ, IPUSHQ } : valA;
	# Return PC
	icode == ICALL : valP;
	# Default: Don't write anything
];

此处补充一个小特例

4.15答案

 访存阶段的最后还要设置Stat，Stat是干什么的，看书：

## Determine instruction status
word Stat = [
	imem_error || dmem_error : SADR;
	!instr_valid: SINS;
	icode == IHALT : SHLT;
	1 : SAOK;
];

Stat的用途以及计算方法

 更新PC阶段

这是最后一个阶段， Program Counter Update，看我的注释即可：

################ Program Counter Update ############################

# 即找出来下一条指令在哪取

word new_pc = [
	# 如果该条指令是call，那么下一条指令的地址就是call后的那个立即数，即valC
	icode == ICALL : valC;

	# 如果该条指令是条件跳转指令，那么在分支函数=1时跳转到valC，否则是默认
	icode == IJXX && Cnd : valC;

	# 如果该条指令是返回，那么下一条指令的地址是刚刚从栈中取出的地址valM
	icode == IRET : valM;

	# 默认值：紧邻的下一条指令地址，即valP
	1 : valP;
];


# 本文件结束

分析完毕。