信息安全系统设计基础第五周学习总结-吕松鸿

第四章  处理器体系结构

4.1 Y86指令集体系结构

4.11程序员可见的状态

1.程序员可见状态：

Y86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。

2.“程序员”：

既可以是用汇编代码写程序的人，也可以是产生机器级代码的编译器。

3.程序寄存器：

（1）8个，%eax、%edx、%ebx、%esi、%edi、%esp和%ebp。

（2）处理器的每个程序寄存器存储一个字。

（3）寄存器%esp被入栈，出栈，调用和返回指令作为栈指针。

（4）其他情况，有三个一位的条件码：ZF，SF和OF。

（5）程序计数器（PC）存放当前正在执行指令的地址。

4.存储器：

（1）一个很大的字节数组，保存着程序和数据。

（2）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。

5.状态码Stat：它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。

4.1.2Y86指令

Y86指令集基本上是IA32指令集的一个子集，只包括四字节整数操作，寻址方式比较少，操作也较少。

1.movl指令:

（1）分成了四个不同的指令：irmovl,rrmovl,mrmovl和rmmovl.

（2）源可以是立即数（i），寄存器（r）或存储器（m）。

　　目的可以是寄存器（i）或存储器（m）。

     指令名字的第一个字母就表明了源的类型，指令名字的第二个字母就指明了目的类型。

注意：（1）这里的存储器引用方式是简单的基址和偏移量形式，寻址方式不支持第二变址寄存器和任何寄存器值的伸缩。

　　　（2）两个操作数不能都是来自存储器，也不允许将立即数传送到存储器。

2.四个整数操作指令

addl 加

subl 减

andl 乘

xorl 除

（1）它们只对寄存器数据进行操作（I32还允许对存储器数据进行操作）。

（2）这些指令会设置三个条件码：ZF，SF和OF（零，符号和溢出）。

3.七个跳转指令

jmp,jle,jl,je,jne,jge和jg。

4.6个条件传送码

cmovle,cmovl,cmove,cmovne,cmovge和cmovg.

只有当条件码妈祖所需要的约束时，才会更新目的寄存器的值。

5.call，ret

call指令将返回地址入栈，然后跳到目的地址。ret从这样的过程调用中返回。

6.pushl和popl

实现了入栈和出栈。

7.halt

（1）停止指令的执行。

（2）执行halt指令会导致处理器停止，并将状态码设置为HLT。

4.1.3指令编码

1.指令的字节级编码

（1）每条指令需要1-6个字节不等，每条指令的第一个字节表明指令的类型。

（2）第一字节分为两部分：

　　高四位:代码部分，值域为0~0xB。

　　低四位：功能部分，功能值只有在一组相关指令共用一个代码时才有用。

（3）8个程序寄存器中每个都有相应的0~7的寄存器标识符。当需要指明不应访问任何寄存器时，用ID值0xF表示。

4.1.4Y86异常

1.状态码Stat

（1）描述程序执行的总体状态。

（2）AOK 正常操作

　　  HLT 处理器执行halt指令

　　  ADR 遇到非法地址

　　  INS 遇到非法指令

4.1.5Y86程序

1.Y86和IA32的区别

（1）Y86有时需要两条指令来完成IA32一条指令就能完成。

（2）Y86没有伸缩寻址模式。

4.1.6一些Y86指令的详情

两个特别的指令：pushl和popl 通常有两种约定

（1）压入%esp的原始值。

（2）压入减去4的%esp得出值。

 

4.2逻辑设计和硬件控制语言HCL

电子电路中，逻辑1是用1.0V左右的高电压表示，逻辑0用0.0V左右的低电压表示。

4.2.1逻辑门

1.逻辑门产生的输出，等于它们输入位值的某个布尔函数。

2.HCL表达式：

AND  &&

OR    ||

NOT  ！

3.逻辑门只对单个位的数进行操作，而不是整个字。

4.逻辑门总是活动的，输入变化输出很快就跟着变化。

4.2.2组合电路和HCL布尔表达式

1.构建组合电路时的限制：

（1）两个或多个逻辑门的输出不能连接在一起。

（2）必须无环。

2.组合逻辑电路和c语言中逻辑表达式的区别

（1）组合电路的输出会持续响应输入变化，c语言表达式只有在执行过程中被遇到才求值。

（2）逻辑门只对0和1操作，c语言表达式中参数可以是任意整数，0是FALSE，不是0的都是TRUE。

（3）c的逻辑表达式可能被部分求值。

4.2.3字级的组合电路和HCL整数表达式

1.所有字级的信号都声明为int，不指定字的大小。

2.多路复用函数用情况表达式来描述。

3.选择表达式为1时，表示如果前面没有情况被选中，就选择这种情况。

4.不同选择表达式之间允许不互斥。

4.2.4集合关系

判断集合关系的通用格式是：

iexpr in {iexpr1,iexpr2,...,iexprk}

iexpr等都是整数表达式。

4.2.5存储器和时钟

1.时序电路的两类存储器设备

（1）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。

（2）随机访问储存器：储存多个字，用地址选择该读/写哪个字。

4.3Y86的顺序实现

SEQ处理器

4.3.1将处理组织成阶段

1.阶段

（1）取指：

（2）译码：

（3）执行：

（4）访问;

（5）写回：

（6）更新PC：

详细内容见书P251。

2.OPl（整数和逻辑运算），rrmovl（寄存器-寄存器传送）和irmovl（立即数-寄存器传送）类型的指令所需的处理。见书P252  图4-18

3.rmmovl和mrmovl所需要的处理。见书 P253 图4-19

4.处理pushl和popl指令所需的步骤。见书 P254 图4-20

5.跳转，call和ret三类控制转移指令的处理。 见书P256 图4-21

4.3.2SEQ硬件结构

1.实现SEQ的画图惯例：（P258 图4-22）

（1）浅灰色方框表示硬件单元。

（2）控制逻辑快是用灰色圆角矩形表示的。

（3）线路的名字在百色椭圆中说明。

（4）宽度为字长的数据连接用中等粗度的线表示。

（5）宽度为字节或更窄的数据连接用细线表示。

（6）单个位的连接用虚线来表示。

4.3.3SEQ的时序

1.SEQ的实现包括组合逻辑和两种存储器设备：

（1）时钟寄存器-程序计数器和条件码寄存器。

（2）随机访问存储器-寄存器文件，指令存储器和数据存储器。

（3）剩下四个：

　　①条件码寄存器：只在执行整数运算指令时装载

　　②数据存储器：只在执行rmmovl、pushl或call时写入

　　③寄存器文件：两个写端口允许每个时钟周期更新两个程序寄存器。特殊寄存器？0xF表示此端口不应执行写操作。

4.3.4SEQ阶段的实现

在控制逻辑中必须被显式引用的常数：

（1）nop指令：PC+1，别的只经过不改变。

（2）halt指令：使处理器状态变为HLT，导致停止运行。

 1.取指阶段：

以PC为第一个字节，读6个字节。

（1）两个逻辑块：

指令代码：icode

指令功能：ifun

（2）三个一位的信号

instr_valid:发现不合法的指令.

need_regids:包含寄存器指示符字节吗

need_valC:包括常数字吗

2.译码和写回阶段

都需要访问寄存器文件，根据四个端口的情况，判断应该读哪个寄存器产生信号valA、valB

3.执行阶段

（1）包括算术/逻辑单元ALU，输出的是valE。

（2）包括条件码寄存器。

4.访存阶段

（1）读或者写程序数据。

（2）根据icode,imem_error,instr_valid,dmem_error，从指令执行的结果计算状态码Stat。

5.更新PC阶段

会产生程序计数器的新值。

实验

构建YIS环境：

cd ~/Code/shiyanlou_cs413
wget http://labfile.oss.aliyunce.com/courses/413/sim.tar
tar -xvf sim.tar
cd sim
sudo apt-get install tk
sudo ln -s  /usr/lib/x86_64-linux-gnu/libtk8.6.so /usr/lib/libtk.so
sudo ln -s  /usr/lib/x86_64-linux-gnu/libtk8.6.so /usr/lib/libtk.so

 

YIS测试:

cd y86-code

进入测试代码，教材p239页代码为asuml.ys,可以通过

make asuml.yo

进行汇编，asuml.yo就是汇编后的结果，见教材p238。

make all 

可以汇编运行所有代码结果。

参考资料

    1.《深入理解计算机系统》教材第四章《处理器体系结构》

  2.https://www.shiyanlou.com/courses/413 实验楼《深入理解计算机系统》实验五——处理器体系结构

  3.https://www.shiyanlou.com/courses/413 实验楼《深入理解计算机系统》实验四——程序的机器级表示

  4.  IA32 and x86-64 Documentation和Y86 Tools