Y86-64 指令集架構 (Y86-64 ISA)

Overview Table

4.1.1 Programmer-Visible State(p.391-392)

Programmer-visible state 指每條 Y86-64 指令可以讀取與修改的處理器狀態;此處的「programmer」是撰寫組合語言的人或產生機器碼的 compiler。實作處理器時不必照 ISA 的形式組織狀態,只要機器層級程式「看起來」能存取這些狀態即可——這是後續 SEQ/PIPE 實作的基礎假設。

+---------------------------------------------------------------+
| RF: Program registers (15 個, 各 64-bit)                       |
|  %rax %rcx %rdx %rbx | %rsp %rbp %rsi %rdi | %r8 ... %r14      |
+---------------------------------------------------------------+
| CC: Condition codes    | Stat: Program status                  |
|   ZF  SF  OF           |  (AOK / HLT / ADR / INS)              |
+------------------------+--------------------------------------+
| PC: Program counter    | DMEM: Memory (概念上為一大 byte 陣列)  |
+---------------------------------------------------------------+

• 15 個 program registers:%rax–%rdi 加上 %r8–%r14,各儲存一個 64-bit word。省略 x86-64 的 %r15 以簡化指令編碼。
• %rsp 被 push、pop、call、return 指令當作 stack pointer;其餘 registers 沒有固定意義。
• 3 個 single-bit condition codes:ZF(zero)、SF(sign)、OF(overflow),記錄最近一次算術/邏輯指令的效果。
• PC 保存目前執行指令的位址。
• Memory 概念上是一大塊 byte 陣列,程式使用 virtual addresses;硬體與 OS 合作轉譯為 physical addresses(詳見 09-Virtual-Memory/01-Address-Spaces-and-VM-Caching)。
• Stat(status code)表示程式執行的整體狀態:正常或發生某類例外。

4.1.2 Y86-64 指令(p.392-394)

Y86-64 指令集大致是 x86-64 的子集:只有 8-byte 整數運算(因此可無歧義地稱為「word」)、較少的 addressing modes、較少的運算種類。組合語法類似 x86-64 的 ATT format。

4.1.3 Instruction Encoding(p.394-396)

每條指令需要 1 到 10 bytes,由所需欄位決定。第一個 byte 一律是 instruction specifier,分成高 4 bits 的 code 與低 4 bits 的 function:

指令總長 = 1 (specifier byte)
         + [0 或 1] (register specifier byte: rA:rB)
         + [0 或 8] (constant word: V / D / Dest)

  byte 0        byte 1        後續 8 bytes
+---------+  +-----------+  +--------------------------+
| code:fn |  |  rA : rB  |  |  8-byte constant (LE)    |
+---------+  +-----------+  +--------------------------+

各指令編碼(hex):

Function codes(fn;code 相同的一組指令以 fn 區分):

• rrmovq 與 conditional moves 共用 code 2,可視為「無條件 move」,如同 jmp 是無條件 jump,兩者 function code 都是 0。

Register identifiers(register file 是 CPU 內的小型 RAM,ID 即位址):

• 只需一個 register operand 的指令(irmovq, pushq, popq)把另一個 register 欄位設為 0xF(無 register)——此慣例在處理器實作中很有用。
• 8-byte constant word 的三種用途:irmovq 的 immediate、rmmovq/mrmovq 的 displacement、branch 與 call 的 destination。
• branch/call 目的位址採絕對定址 (absolute addressing),而非 x86-64 的 PC-relative;PC-relative 的優點是編碼較短、程式碼可搬移而不必更新 branch targets,Y86-64 為求簡化而不採用。
• 與 x86-64 相同,所有整數採 little-endian 編碼,反組譯時 bytes 呈反序。

編碼範例(p.395):rmmovq %rsp, 0x123456789abcd(%rdx)

1. rmmovq 首 byte = 40
2. rA = %rsp = 4、rB = %rdx = 2 → register byte = 42
3. displacement 補零成 8 bytes:00 01 23 45 67 89 ab cd → byte-reversed:cd ab 89 67 45 23 01 00
4. 完整編碼:4042cdab896745230100

RISC vs CISC(Aside, p.397-399)

CISC(complex instruction set computer)由早期電腦演化而來,1980 年代初指令集已相當龐大;RISC(reduced instruction set computer)則是 1980 年代初 IBM(John Cocke)提出的替代路線,後由 Berkeley 的 Patterson 與 Stanford 的 Hennessy 發展並命名——更簡單的指令集可用更少硬體實作,並能組織成高效的 pipeline 結構。

• Y86-64 兼有兩者特徵:CISC 面——有 condition codes、變長指令、以 stack 存返回位址;RISC 面——load/store 架構、規則化編碼、以 registers 傳遞參數。可視為「把 CISC(x86)用 RISC 原則簡化」。
• 1990 年代初論戰平息:純 RISC 或純 CISC 都不如兩者優點的融合。現代 CISC 機器把指令動態轉譯成 RISC-like 的簡單運算(如 register-memory add 拆成 read → add → write 三個 operations),詳見 05-Program-Optimization/02-Modern-Processor-Operation。x86 靠向後相容性主宰桌機/伺服器市場;RISC(如 ARM)則稱霸嵌入式市場。

4.1.4 Y86-64 Exceptions(p.399-400)

             AOK (正常執行)
              |
   +----------+-------------+
   |          |             |
 halt      非法位址       非法指令
   v          v             v
  HLT        ADR           INS
   \__________|____________/
              v
        處理器停止執行 (本設計)

• 本章設計中,遇到任一例外處理器就直接停止。完整的設計會呼叫 exception handler(可設定為中止程式或呼叫使用者定義的 signal handler),詳見 08-Exceptional-Control-Flow/01-Exceptions。

4.1.5 Y86-64 Programs(p.400-405)

以 C 函式 sum(long *start, long count)(迴圈累加陣列)比較 x86-64(gcc 產生)與 Y86-64(手寫)程式碼,差異有三:

• Y86-64 須先用 irmovq 把常數載入 registers(如常數 8、1),因為算術指令不能用 immediate data。
• 從記憶體讀值再加到 register 需要兩條指令(mrmovq + addq);x86-64 一條 addq (%rdi),%rax 即可。
• 利用 subq 也會設定 CC 的特性省去 testq;但進迴圈前必須先用 andq %rsi,%rsi 把 CC 設好,jne 的第一次判斷才正確。

完整程式檔的結構(Figure 4.7):以 . 開頭的字是 assembler directives:

0x000  irmovq stack,%rsp   ; 設定 stack pointer
       call main           ; 執行主程式
       halt                ; 終止
0x018  array: 4 個 .quad   ; 資料 (.align 8)
0x038  main:  設參數 → call sum → ret
0x056  sum:   迴圈累加
0x200  stack:              ; stack 起點, 向低位址成長
        (須確保 stack 不會長到覆蓋 code/data)

• 因為工具只有 assembler,程式設計者必須自行處理平常交給 compiler、linker、run-time system 的工作:stack 擺放、資料初始化、程式初始化與終止。
• yas(Y86-64 assembler):輸出 ASCII 格式的 object code,每行含位址與 1-10 bytes 的機器碼(Figure 4.8)。
• yis(instruction set simulator):模擬 Y86-64 機器碼程式的執行,不模擬任何特定處理器實作;可在硬體完成前除錯程式,也可用來核對硬體模擬或實機執行的結果。輸出僅列出有變動的 registers 與 memory words(左為原值、右為終值)。範例輸出:Stopped in 34 steps at PC = 0x13. Status 'HLT', CC Z=1 S=0 O=0,%rax = 0xabcdabcdabcdabcd 即 4 元素陣列之和;stack 從 0x200 向下用到 0x1f0-0x1f8,程式碼最大位址僅 0x090,故未被覆蓋。

4.1.6 Some Y86-64 Instruction Details(p.406-408)

兩個特殊的指令組合需要明確定義,Y86-64 採用與 x86-64 一致的慣例(以實驗驗證,Practice Problems 4.7、4.8):

pushq %rsp:                      popq %rsp:
  R[%rsp] <- R[%rsp] - 8           R[%rsp] <- M[R[%rsp]]
  M[R[%rsp]] <- (原 %rsp 值)        (讀出值直接覆蓋, 遞增結果被丟棄)

Exam/Test Patterns

Related Notes

• 04-Processor-Architecture/02-Logic-Design-and-HCL — 下一節:實作此 ISA 所需的硬體元件與 HCL
• 04-Processor-Architecture/03-Sequential-SEQ-Implementation — 以 SEQ 實作 Y86-64 指令的各階段
• 04-Processor-Architecture/05-Pipelined-PIPE-Implementation-and-Hazards — RISC 式規則編碼對 pipeline 的意義
• 03-Machine-Level-Programs/01-Program-Encodings-and-Data-Formats — x86-64 編碼與資料格式(對照母集)
• 03-Machine-Level-Programs/03-Control-Flow — condition codes 與 jXX/cmovXX 條件的來源(Figure 3.15)
• 08-Exceptional-Control-Flow/01-Exceptions — 完整設計中 exception handler 的角色