【CSAPP笔记】第四章 处理器体系结构

杰瑞同学
503 阅读11分钟

第4章涉及到一些数字电路、硬件控制语言HCL的知识，这里先行跳过，有机会回头补充

4.1 Y86-64指令集体系结构

由于x86-64指令集过于复杂，书中定义了一个简化的Y86-64指令集，阐述处理器的体系结构

4.1.1 程序员可见状态

  • 15个64位寄存器：%rax、%rbx、...、%r14（注：这里不包含%r15是区分操作数有无寄存器的情况）
    • 其中：%rsp在入栈、出栈、函数调用和返回操作下，认定为是栈顶指针
  • 3个简化的条件码：ZF、SF、OF（零、符号、溢出），保存最近的算术或逻辑指令造成的影响
  • 程序计数器PC：存放当前正在执行的指令的地址
  • 内存：提供了一个单一的字节数组映像
  • 状态码Stat：表明程序执行的总体状态（程序正常运行或出现某种异常）

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4.1.2 Y86-64指令

  1. 传送指令：irmovq、rrmovq、mrmovq、rmmovq。源可以是立即数(i)、寄存器(r)或内存(m)；目的可以是寄存器(r)或内存(m)。注意不支持内存直接传送到内存、不支持立即数直接传送内存
  2. 整数操作指令：addq、subq、andq、xorq。这些指令会设置条件码ZF、SF、OF
  3. 跳转指令：jmp、jle、jl、je、jne、jge、jg
  4. 条件传送指令：cmovle、cmovl、cmove、cmovne、cmovge、cmovg
  5. 函数相关：call、ret
  6. 入栈出栈：pushq、popq
  7. 停止指令：halt，使整个系统暂停运行，并将状态码置为HLT

4.1.3 指令编码

  • Y86-64指令编码规则：指令长度1字节~10字节，分为3个部分：
    • 指令指示符：第一个字节。高4位：代码部分(icode)；低4位：功能部分(ifun)
    • 寄存器操作：第二个字节。高4位：源寄存器的编码；低4位：目的寄存器的编码。寄存器的编码见图4-4。其中，F表示目的/源操作数不使用寄存器
    • 数值操作：8字节常数字，用十六进制表示

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  • 其中对于OPq、jXX、cmovXX的指令，用fn区分功能：

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  • 涉及到对寄存器的操作，将15个寄存器进行编码，F表示无寄存器

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【例】确定rmmovq %rsp, 0x123456789abcd(%rdx)的Y86-64指令编码

  • 操作rmovq：40
  • 源寄存器%rsp：4
  • 目的寄存器%rdx：2
  • 数字D：按小端序排列为cd ab 89 67 45 23 01 00
40 42 cd ab 89 67 45 23 01 00

4.1.4 Y86-64状态码Stat

值名字含义
1AOK正常操作
2HLT执行halt指令
3ADR遇到非法地址
4INS遇到非法指令

4.1.5 Y86-64程序

【例】书中例子，计算一个整数数组的和。与X86-64相比有些许不同：

  • 算数指令addq的源寄存器无法直接使用立即数和内存位置，所以有irmovq、mrmovq操作
  • subq操作直接设置了条件码ZF，所以省略了testq

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4.3 Y86-64的顺序实现

在Y86-64处理器处理一条指令，分成6个步骤：

  • 取指（fetch）：从内存读取指令字节（1~10个字节），顺序方式计算下一条指令valP。指令字节包括：
    • 指令字节：前四位指令(icode)和后四位功能(ifun)
    • 寄存器字节：源寄存器(rA)和目的寄存器(rB)
    • 常数字：八字节valC
  • 译码（decode）：从寄存器读取最多两个操作数，得到值(valA/valB)。有些指令还会读取寄存器%rsp
  • 执行（execute）：ALU执行指令操作，得到结果valE。并设置条件码CC。
  • 访存（memory）：数据写入内存，或从内存读取值(valM)
  • 写回（write back）：将执行结果valE写回寄存器
  • 更新PC（PC update）：PC的值更新为指令下一条的地址

因此，我们可以把4.1.2节的Y86-64指令逐一分析：

  • 逻辑运算、传送指令：

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  • 入栈和出栈操作

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  • 控制转移指令：

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  • nop：PC+1，不做任何处理
  • halt：处理器状态置位HLT，使处理器停止运行

4.4 流水线的通用原理

  • 顺序处理：一条指令处理完，再处理下一条指令。缺点是指令的执行非常慢，一个时钟周期只能处理一条指令
吞吐量=1条指令(20+300)ps⋅1000ps1ns≈3.12GIPS吞吐量=\frac{1条指令}{(20+300)ps}\cdot\frac{1000ps}{1ns}\approx3.12GIPS

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  • 流水线处理：指令分若干个独立阶段，处理器可以同时处理各个阶段。在每个阶段间插入一个流水线寄存器：控制一个指令离开系统、另一个指令进入系统。
吞吐量=1条指令(20+100)ps⋅1000ps1ns≈8.33GIPS吞吐量=\frac{1条指令}{(20+100)ps}\cdot\frac{1000ps}{1ns}\approx8.33GIPS

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【注】流水线的局限性：

  1. 由于每个阶段处理的时间可能不同，所以每一步同样有时间的浪费 (木桶效应)
  2. 并不是阶段划分越多系统吞吐量越高，过深的流水线反而会带来系统的损耗，需要一定的权衡。

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4.5 Y86-64的流水线实现

4.5.1 流水线的实现

  • 根据4.3.1节，一条指令分为6个阶段，每个阶段之间插入一个D触发器。根据D触发器的特性，当时钟信号达到上升沿时，输入信号才加载进触发器中并输出，这样就可以控制流水线的时序：

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【例】顺序执行案例，5条指令通过流水线。在时刻5，流水线中并行运行5个指令的阶段

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4.5.5 流水线冒险

  • 引入流水线技术后，有可能会带来执行错误，称为冒险（hazard）。分两种情况：
    • 数据冒险：下一条指令会用到上一条指令的结果
    • 控制冒险：一条指令确认下一条指令的位置（jXX、ret）

4.5.5.1 数据冒险

【问题】下一条指令会用到上一条指令的结果，所以流水线执行指令会导致计算错误。就比如：

0x000:	irmovq $10, %rdx
0x00a:	irmovq $3, %rax
0x014:	addq %rdx, %rax

【说明】在执行addq操作时，译码（decode）阶段需要读取%rax的值。而irmovq操作在写回（write back）阶段才更新%rax的值。因此，两者之间要增加处理，保证运算正确执行。书中介绍了几个方案：

  • 暂停技术：addq执行译码前，等待irmovq的写回操作完成。指令间增加nop。缺点是效率较低
  • 数据转发：直接使用irmovq的valE作为addq的valA，而不写回寄存器。好处是节省时钟周期；缺点是要修改硬件结构
  • 结合使用：暂停技术+数据转发

【例】书中例子，暂停技术和数据转发

  • 暂停技术：增加3个bubble（即nop操作），保证addq的Decode要在irmovq的Write back之后

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  • 数据转发：irmovq的Execute后，输出值valE直接作为addq的输入，而不经过写入+译码寄存器。此时addq的Decode可以和irmovq的Execute处于同一个时钟周期

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  • 结合使用：mrmovq的Memory结束后，addq指令才能读取到valA的值。单纯使用数据转发无法解决这种情况，需要结合暂停技术。增加1个bubble

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4.5.5.2 控制冒险

控制冒险：处理器无法根据取值阶段的指令确认下一条地址时，出现控制冒险

【问题1】操作是ret时，下一条地址从栈取出，即必须要等到上一条指令的访存（Memory）操作结束

【例】书中ret例子，执行proc函数后返回

0x000:		irmovq stack, %rsp
0x00a:		call proc		# Procedure call
0x013:		irmovq $10, %rdx	# Return point
0x01d:		halt
0x020:	.pos 0x20
0x020:	proc:
0x020:		ret			# Return immediately
0x021:		rrmovq %rdx, %rbx	# Not executed
0x030:	.pos 0x30
0x030:	stack:
  • 为简化说明，转为顺序执行语句：
0x000:	irmovq Stack, %edx
0x00a:	call proc
0x020:	ret
0x013:	irmovq $10, %rdx    # Return point

【说明】在ret的访存（Memory）阶段才能从栈中获取0x013的PC地址。所以irmovq指令的取值（Fetch）要在ret的访存（Memory）之后。使用暂停技术，增加3个bubble：

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【问题2】操作是jXX时，因为指令是并行执行的，下一条指令不知道是执行谁。如果流水线执行，可能导致分支预测错误。真正确定需要等上一条执行（Execute）操作结束

【例】书中jne例子

0x000:		xorq %rax, %rax
0x002:		jne target
0x00b:		irmovq $1, %rax
0x015:		halt
0x016:	target:
0x016:		irmovq $2, %rdx
0x020:		irmovq $3, %rbx
0x02a:		halt
  • 这里采用最简单的分支策略，总是认为要跳转执行 （实际要复杂得多）。此时转为下面的顺序执行指令：
0x000:	xorq %rax, %rax
0x002:	jne target
0x016:	irmovq $2, %rdx
0x020:	irmovq $3, %rbx
0x00b:	irmovq $1, %rax
0x015:	halt

【说明】jXX指令在加入流水线时，流水线会预测选择分支。相当于后续的指令执行了一半，然后jne指令的Execute阶段才判断出是否需要跳转（即是否预测正确，注意执行是乱序的）。因此分预测正确和错误两种情况：

  • jne预测正确：直接执行0x016和0x020的指令，不执行0x00b的指令
  • jne预测错误：0x016和0x020的指令需要剔除。下一时钟通过插入bubble，取消掉0x016和0x020的执行。另外，下一时钟还要将0x00b的指令加入流水线，如图所示：

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4.5.8 流水线控制逻辑

为了实现流水线控制，在流水线寄存器中，增加两个控制输入：暂停（Stall）和气泡（Bubble）。因此，分为三种情况：

  • 正常：暂停=0 && 气泡=0。时钟上升沿到达时，寄存器加载输入y，并作为输出
  • 暂停（指令暂停）：暂停=1 && 气泡=0。时钟上升沿到达时，保持流水线寄存器的状态不改变。
  • 气泡（取消指令）：暂停=0 && 气泡=1。时钟上升沿到达时，将寄存器的状态清0

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  • 对于数据冒险和控制冒险，流水线寄存器需要加入暂停或气泡处理：

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【注】控制条件远没这么简单，还有组合的情况。详见书本318页控制条件的组合。这里暂不列在笔记中

4.5.9 性能分析

  • 使用CPI（Cycles Per Instruction, 每指令周期数）进行衡量。定义一个阶段处理了CiC_i条指令和CbC_b个气泡，则：
CPI=Ci+CbCi=1.0+CbCiCPI=\frac{C_i+C_b}{C_i}=1.0+\frac{C_b}{C_i}
  • 将Cb/CiC_b/C_i视为处罚项，表明一条指令平均要插入多少个气泡。这个值可细分三项：
    • 加载处罚（lp, load penalty）：加载/使用冒险暂停时，插入气泡的平均数
    • 预测错误分支处罚（mp, mispredicted branch penalty）：由于分支预测错误，取消指令时插入气泡的平均数
    • 返回处罚（rp, return penalty）：返回指令造成暂停时，插入气泡的平均数

【例】书中例子

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附录

在CMU官网，提供了一个Y86-64的仿真工具，可以模拟C代码的汇编(yas)、执行(yis)。安装简介：

wget http://csapp.cs.cmu.edu/3e/sim.tar
tar xvf sim.tar
# 安装bison和词法分析工具flex
apt-get install bison flex -y
# 仿真工具如果要使用图形界面，则需要安装TCL和TK
apt-get install tcl8.5-dev tk8.5-dev tcl8.5 tk8.5 -y
# 修改sim目录下的Makefile文件
GUIMODE=-DHAS_GUI
TKLIBS=-L/usr/lib/ -ltk8.5 -ltcl8.5
TKINC=-I/usr/include/tcl8.5
# 编译安装
make clean && make
  • 以4.1.5节例子为例，编译运行程序asum.ys：可以看到返回值%rax = 0xabcdabcdabcd，执行正确。
cd y86-code
../misc/yas asum.ys
../misc/yis asum.yo

# 输出结果
Stopped in 34 steps at PC = 0x13.  Status 'HLT', CC Z=1 S=0 O=0
Changes to registers:
%rax:   0x0000000000000000      0x0000abcdabcdabcd
%rsp:   0x0000000000000000      0x0000000000000200
%rdi:   0x0000000000000000      0x0000000000000038
%r8:    0x0000000000000000      0x0000000000000008
%r9:    0x0000000000000000      0x0000000000000001
%r10:   0x0000000000000000      0x0000a000a000a000

Changes to memory:
0x01f0: 0x0000000000000000      0x0000000000000055
0x01f8: 0x0000000000000000      0x0000000000000013
  • 也可以使用仿真器进行仿真调试。有两种仿真形式：顺序执行（SEQ）、流水线执行（PIPE）
# 顺序执行
cd sim/seq
./ssim -g ../y86-code/asum.yo &

# 流水线执行
cd sim/pipe
./psim -g ../y86-code/asum.yo &

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