CSAPP——Y86-64顺序实现（4.3）

介绍：

Y86为CSAPP书中为方便学习而简化的X86。Y86顺序结构的是无流水线的结构(SEQ)：在一个足够长的时钟周期上，该结构会完成一条完整的汇编指令。每个汇编指令有6个执行阶段。

一、六个基本阶段

取指——译码——执行——访存——写回——更新PC

二、各阶段主要功能

1、取指：计算当前指令的长度，获取需要用到的寄存器和立即数

2、译码：从寄存器中读取数据

3、执行：算数逻辑单元（ALU）执行三类计算：算数逻辑运算、计算内存引用有效地址、针对push和pop等计算栈指针的增减

4、访存：从内存读取数据 or 将数据写入内存

5、写回：将数据写入寄存器

6、更新pc：设置下一条指令的地址

三、各阶段详解 

1、取值阶段：

　　输入：PC        输出：icode、ifun、rA、rB、valC、valP

图1：取指阶段

　　首先从PC寄存器指向的位置取10字节（Y86中最长的指令的长度）作为当前指令，以保证在任何情况下指令都是完整的，再根据接下来的步骤确定指令的真正长度。10个字节中的第1个字节为操作码，包含icode和ifun。

图2：icode和ifun对应的部分指令

　　对于操作码，icode占第1个字节中的高4位，称为指令代码，表示该条指令的分类。ifun占低4位，称为指令功能，表示指令的具体功能。硬件根据icode可以判断指令是否合法。此外，还可以根据icode判断当前指令是否需要寄存器，需要几个寄存器，是否需要立即数，以确定当前指令的真正长度，分四种情况：

（1）寄存器+立即数：说明该指令长度就是10Bytes。其中第2个字节为寄存器标识符rA和rB（rA占高4位，rB占低4位）若需要两个寄存器，则rA和rB都按对应规则进行标识，若只需要一个，不需要的寄存器对应的标识符变为0xF，另一个正常标识。第3到10个字节为立即数（valC）。10个字节全部保留。

（2）仅立即数：该指令长度为9Bytes。第2到9个字节为立即数valC，第10个字节给下一条指令用。

（3）仅寄存器：指令长度为2Bytes。第2个字节为rA和rB，根据需要1个 or 2个寄存器，同（1）理处理rA和rB，第3到10字节给下一条指令。

（4）什么也不需要：该指令长度1Bytes。第2到10字节给下一条指令。

　　valP为下一条指令的位置。由上述步骤计算出当前指令的长度 + 当前PC可得出下一条指令的位置valP，可以用来更新PC。

图3：寄存器标识符rA和rB与寄存器的对应规则，图中number均占4个bit

图4：Y86的一些汇编指令，包含了前文所述的4种情况

2、译码：

　　输入：icode、rA、rB         中间变量：srcA、srcB         输出：valA、valB

　　硬件电路通过rA、rB和icode的值，找到最后要用到的寄存器srcA和srcB。rA和rB为寄存器标识符，与寄存器有对应规则，可以产生出srcA和srcB。之所以需要用到icode，是因为有些指令除了rA or rB外，还需要知道栈顶指针rsp的值，例如：pushq rA  该指令将rA对应的寄存器中的值压入栈中，因此需要rsp找到栈顶位置，rA对应的寄存器和rsp寄存器作为srcA和srcB。除了push外，还有pop、call、ret需要rsp。根据srcA和srcB，找到对应寄存器，并得到其中所存的数据，为valA和valB。

3、执行：

　　输入：icode、ifun、valA、valB、valC        中间变量：ALUA、ALUB、ALUfun、CC       输出：Cnd、valE

图5：执行阶段

 　　算数逻辑单元（ALU）主要执行三类计算：算数运算和逻辑运算、计算内存引用有效地址、计算栈指针的增减。对于ALU，数据输出包括：（1）valE：计算结果。（2）Cnd：跳转指令标识，对于跳转指令，若Cnd==1则跳转，Cnd==0则不跳转。对于Cnd，需要由icode决定是否需要设置CC，因为只有跳转指令需要判断是否跳转，当前指令是否为跳转指令由icode判断；还需要ifun来决定最后是否跳转，因为ifun中指明了跳转条件（见图2）。

数据输入包括：

（1）ALUfun：由取指阶段产生的icode和ifun组成，用来规定ALU的计算方式。

（2）ALUB：数据源B，由译码阶段寄存器取出值valB和icode产生。之所以要用到icode，是因为需要告诉ALU当前指令是否是类似push的指令，既要进行数据传输，又要对栈指针进行增减。例如push rax，将rax中的值传送到rsp指向的位置后，还要将rsp中的值-8。

（3）ALUA：数据源A由icode、valA、valB产生。同时需要valA和valC的原因是：有些指令需要先将立即数和其中一个寄存器中的值进行计算，再进行其他计算。例如图4中：rmmovl rA,D(rB)   和  mrmovl D(rB),rA   指令，将D(也就是valC)与rB中的值相加后作为地址，之后该地址中的数据和rA对应寄存器再进行运算。

注：数据传送指令中，ALU有时会进行+0操作。例：irmovq %8,%rax    valC=8,ALU将其+0得到valE。

4、访存：

　　输入：icode、valE、valA          输出：valM、Stat

　图6：访存阶段

　　访存阶段不是必须的，当指令不涉及内存读写时不需要该阶段。

　　访存阶段，先由icode确定当前指令到底要读内存(Mem.read)还是写内存(Mem.write)。由icode、valE、valA、valP确定目标地址(Mem.addr)和待写入的数据(Mem.data)。当把寄存器中的值看作地址时，valA用于确定目标地址(Mem.addr)；当把寄存器中的值看作数值时，valA用于确定写入的数据(Mem.data)。当目标地址由ALU计算得出时，valE用于确定目标地址。当执行call类指令时，需要将下一条指令的位置压入栈中，因此需要valP。最后，确定目标地址和写入数据都需要icode的来分辨valE、valA、valP的最终用法(读or写，写什么，读什么)。若是读数据，内存会输出一个读到的数据valM作为输出，同时该阶段还会产生一个状态码Stat。

5、写回：

　　输入：valM、valE         输出：造成寄存器文件中的数据的改变

图7：译码和写回阶段

　　译码阶段和写回阶段都是对寄存器的操作，可以画在一张图里，但是这两个阶段在时间上有先后之分。

　　写回阶段并不是必须的，当不需要修改（PC以外的）寄存器中的值时，不需要这一步。

　　输入值中：valE为ALU计算的结果，valM为访存阶段从内存中取出的值，二者为待写入的值。写入的位置是dstE和dstM，由icode，rA，rB计算得出。

6、更新PC：

　　输入：icode、Cnd、valC、valM、valP         输出：造成PC寄存器中的数据的改变

　　icode用于确定当前指令是普通指令or跳转指令；Cnd确定jxx类指令的跳转条件是否满足；valC是call指令或者jxx类指令的跳转目标；valM是从内存中取出的值，一般是ret类指令的跳转目标；valP为下一条指令的位置，当前指令非跳转指令时，使用valP来作为PC的新值。

四、总结

　　Y86的顺序结构直观明了，但存在两个缺点：

　　（1）要在一个时钟周期内执行完所有的阶段，这要求时钟周期足够长，因此时钟频率低计算速度慢。

　　（2）当前阶段处理完成后，当前阶段的硬件就处于空闲状态，利用效率不高。

　　使用流水线结构可以克服这两个缺点。