深入理解计算机系统（4.1）---X86的孪生兄弟，Y86指令体系结构

引言

　　各位猿友们好，计算机系统系列很久没更新了，实在是抱歉之极。新的一年，为了给计算机系统系列添加一些新的元素，LZ将其更改为书的原名《深入理解计算机系统》。这本书非常厚，而且难度较高，LZ看了很久才看了四章。当然，这跟LZ最近很久没翻书有关系，最近公司的事情比较多，可让LZ愁了个愁，尤其是招人的事一直不太顺利，很多工作无法展开，也让LZ的心中一直压着一块大石。

　　不过事情多了，就意味着责任大了，因此LZ最近经常回家自己研究公司所用的框架，以期了如指掌，可以应付各种随即事件。这耽误了LZ不少功夫，最近看书的激情在慢慢下降，这绝对不是个好事，要好好调整，毕竟艺多不压身，尽管计算机系统的这些知识在平时的用处不大，但是对自身的积累还是有很大好处的，因此建议各位猿友千万不要落下。不过耽误了这么久，说不定已经有猿友将LZ远远抛在身后了。

　　好了，回归正题，来看看我们的Y86吧。

Y86指令体系结构

　　Y86是一个指令体系结构（ISA），它是计算机系统这本书的作者YY出的指令集。目的是为了让我们更加清晰的了解ISA，就像你读编译原理，作者会教你做个编译器，是一样的道理。

　　我们学这个并不是为了设计指令集，因为这种工作几乎不可能发生在我们的身上。还是和编译原理一样，你的工作也不太可能是去写一个编译器，创造一种语言，最多就是写个小例子拿来唬唬你身边的妹子或基友。我们的目的是为了了解CPU处理指令的流程以及它的工作原理，学习它的思想，这对你以后的技术之路说不定会有一些启发。很多时候，这种启发是很重要并且难得的，非神人不能达到。

　　对于Y86，LZ也没有太多可介绍的，它就是一个ISA的例子，让各位通过它来了解ISA的设计。这一章的内容比较轻松，因为我们已经在第三章了解过X86的汇编指令，所以这里很多内容LZ只是一图代过，更多精彩内容还是要在后面再展现出来。

猿友们看的见的东西

　　计算机是一个神秘的家伙，它的很多秘密我们都看不到，不过有了ISA的帮忙，我们就可以了解到很多计算机的秘密。比如LZ现在写博文的时候，CPU到底在干什么呢？

　　理论上来讲，我们在编写一个程序的时候，我们是可以知道CPU的状态的。因为在你观察程序的汇编指令时，你可以知道当程序执行到某个地方，寄存器、存储器以及条件码寄存器等等的状态是如何的。说到底，无论是寄存器，存储器还是条件码寄存器等等，都是汇编指令可以访问的处理器状态。在设计和实现一个处理器的时候，只要我们能保证机器级程序（比如汇编程序）可以正常的访问程序猿可见状态（比如寄存器、存储器），那么就不太需要非得按照ISA真正的方式来表示我们的处理器状态。

　　对于Y86来说，它的程序猿可见状态就是这几种：寄存器、存储器、条件码、PC、程序状态。

　　在Y86当中，寄存器依旧是8个，每一个寄存器可以存储一个字，也就是一个32位二进制。条件码是一个一位二进制的寄存器，保存着最近的算术或逻辑运算所造成的影响的信息。PC则是程序计数器，记录当前正在执行的指令的地址。

　　存储器则是一个很大的字节数组，Y86的程序可以使用虚拟地址（类似于数组的下标）来访问存储器，硬件和操作系统会将虚拟地址翻译为实际的地址。最后一个程序状态（stat），它则代表着程序的运行情况。

　　以上便是程序猿可见的状态，或者说机器级程序可访问的CPU状态，我们在设计和实现一个处理器的时候，就是设计一系列指令去操作这些状态。

Y86指令集

　　接下来我们就看看Y86的指令集，这里LZ就直接上图了，这些指令其实都是从X86的指令集YY而来。

　　上面的指令相信大家都不会太陌生，LZ这里就不仔细的解释了，下面我们只简单的把每个指令的作用过一遍。

　　halt：这个指令将会终止指令的执行。

　　nop：这是一个占位指令，它不做任何事情，后续为了实现流水线，它有一定的作用。

　　xxmovl：这是一系列的数据传送指令，其中r代表寄存器，m代表存储器，i代表立即数。比如rrmovl指令，则代表将一个寄存器的值，赋给另外一个寄存器。

　　opl：操作指令，比如加法，减法等等。

　　jxx：条件跳转指令，根据后面的条件进行跳转。

　　cmovxx：条件传送指令，后面的xx代表的是条件。特别的是，条件传送只发生在两个寄存器之间，不会将数据传送到存储器。

　　call与ret：方法的调用和返回指令。一个将返回地址入栈，并跳到目标地址。一个将返回地址入PC，并跳到返回地址。

　　push与pop：入栈和出栈操作。

指令编码

　　这里LZ还要说的一点是，在图的右边，是指令所占的字节数或者说编码。一般两个寄存器占用一个字节，存储器则占用四个字节，指令的编码和功能占用一个字节。因此可以看到，比如rrmovl指令，它的字节长度是2，其中第一个字节代表了指令rrmovl，第二个字节代表了两个寄存器。

　　对于opl、jxx、cmovxx指令来说，都有一个fn标识，占用4个二进制位（半个字节）。这个便是指令的功能部分，这个是由于它们的指令编码一样，但功能有所不同所造成的。比如对于opl，就有加、减、与、异或等操作，那么它们的指令编码第一个字节就分别为十六进制的60、61、62、63。

　　对于寄存器的表示，是使用4个二进制位表示的，这是一个ID标识。所有的寄存器可以看做是一个寄存器文件，其中的ID标识就类似于它们的地址。对于一些只需要一个寄存器的指令来说，另一个寄存器标识位使用0xF表示。

　　还有的指令需要一个字的常数，比如irmovl指令，call指令等等。这种指令，将把常数放在最后的四个字节当中，顺序按照大端法或小端法表示（与机器和OS有关）。对于call指令来说，这四个字节就是一个地址，这个地址就是绝对地址，指向了存储器当中的某一个位置，这个位置存储着代码。采用绝对地址是为了描述简单，真实当中，是采取的基于PC的相对地址。

Y86异常

　　对于Y86来说，程序猿可见的状态中就有stat状态码，它标识了程序执行的状态。Y86需要有能力根据stat去做一些处理。不过为了简单起见，这里除了正常执行之外，都将停止指令的执行。真实当中，会有专门的异常处理程序。

　　Y86有四种不同的状态码，AOK（正常）、HLT（执行halt指令）、ADR（非法地址）和INS（非法指令）。

Y86程序

　　书中给出了一个示例程序，来说明X86和Y86的区别，这里LZ就不详细分析这些汇编指令了，这种事情在第三章已经做的很多了，各位猿友可以私底下自己分析一下。其实两者是非常相似的，毕竟Y86就是根据X86的结构YY出来的。区别就在于，有的时候Y86需要两条指令来达到X86一条指令就可以达成的目的。

　　比如对于X86指令中的 addl $4,%ecx 这样的指令，由于Y86当中的addl指令中不包含立即数，所以Y86需要先将立即数存入寄存器，即使用irmovl指令，然后再使用addl来处理加法运算。

　　总的来说，Y86就是一个X86的缩减版，它的目的是以简单的结构实现一个处理器，帮助我们了解处理器的设计和实现。有兴趣的猿友可以去观摩一下Y86程序生成的汇编代码，并进行逐一的分析，实际上，这与X86是十分类似的。

文章小结

　　本文的难度并不高，只是简单的介绍了一个类X86的指令集结构。接下来的内容需要我们了解一下具体的设计是如何进行的，以及如何使用硬件控制语言HCL。后面的内容相对来说会比较难理解，LZ在读的时候也是有点一知半解，尽管现在已经基本摸清了套路，但还是希望各位猿友在看的过程当中最好有自己的理解。