本节会使用简化版的x86-64的处理器——Y86-64进行学习

Y86-64的寄存器以及指令定义

15个寄存器进行编号（4位表示寄存器）

用0xF填充表示没有用寄存器的数

数据传送指令

整数操作指令

跳转指令

其他指令

指令示例

指令状态码（异常）

寄存器的电路描述

指令的执行

包括6个阶段（取址，译码，执行，访存，写回，更新PC）

取址阶段

指令实际长度为2-10byte

译码阶段（从寄存器读数据）


执行阶段

主要是ALU负责操作数运算，地址偏移运算，栈指针（入栈出栈）计算

访存阶段

既可以从内存读出数据，也可以从内存中写入数据

写回阶段（将结果写回寄存器文件）

此处不同于译码阶段的读寄存器文件，此处是写

更新PC

获取下一条指令的地址，不是指令内容
valP的值等于valP+当前指令的长度

一些例子

  • 1.减法指令

  • 2.数据传送指令（irmovq）

  • 3.数据传送指令（rrmoveq）

  • 4.push指令

  • 5.跳转指令

流水线

流水实现：在每个阶段后面插入寄存器暂存每个阶段的结果
流水线在各个阶段的转移靠的是时钟信号，每120ps，信号从0到1，流水线开始下一阶段的计算
如图所示（指令1，2，3流水执行，共分为A，B，C三个阶段）
239s时时钟信号未到，A阶段后的寄存器还保留指令1的A阶段的结果，指令1执行B，指令2在执行A

流水线的硬件结构

【合集】CSAPP-深入理解计算机系统

不同指令的流水线

数据冒险

因为数据相关产生的数据读写错误

数据冒险解决方法1：气泡+暂停

数据冒险解决方法2：数据转发（添加旁路转接数据）

数据冒险解决方法3：数据转发+气泡

控制冒险

常发生于跳转指令和ret指令
如图，ret必须在访存之后（从栈中读取返回值）才能获得下一条指令的地址

跳转指令必须在执行阶段才能知道是否跳转

控制冒险解决方法：气泡

  1. ret插入气泡


3. jump指令分支预测（预设定跳转或者不跳转），分支错误使用气泡撤回

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