3.3 Y86-64的顺序实现

将处理组织成阶段

为了实现流水线处理机制，要将指令组织成某个特殊的阶段序列，所有的指令遵循统一的序列，不同阶段放在不同硬件上进行处理。下面是对各阶段的简述。

取指(fetch)：取指阶段从内存读取指令字节，地址为程序计数器(PC)的值。从指令中抽取出指令指示符字节的两个四位部分，称为icode(指令代码)和ifun(指令功能)。它可能取出一个寄存器指示符字节，指明一个或两个寄存器操作数指示符rA和rB。它还可能取出一个四字节常数字va1C。它按顺序方式计算当前指令的下一条指令的地址va1P。也就是说，valP等于PC的值加上已取出指令的长度。

译码(decode)：译码阶段从寄存器文件读入最多两个操作数，得到值valA和/或valB。通常，它读入指令rA和rB字段指明的寄存器，不过有些指令是读寄存器rsp的。

执行(execute)：在执行阶段，算术/逻辑单元(ALU)要么执行指令指明的操作(根据ifun的值)，计算内存引用的有效地址，要么增加或减少栈指针。得到的值我们称为valE。在此，也可能设置条件码。对一条条件传送指令来说，这个阶段会检验条件码和传送条件(由ifun给出)，如果条件成立，则更新目标寄存器。同样，对一条跳转指令来说，这个阶段会决定是不是应该选择分支。

访存(memory)：访存阶段可以将数据写入内存，或者从内存读出数据。读出的值为valM。

写回(write back)：写回阶段最多可以写两个结果到寄存器文件。

更新PC(PC update)：将PC设置成下一条指令的地址。

SEQ硬件结构

取指：将程序计数器寄存器作为地址，指令内存读取指令的字节。PC增加器(PC incre-menter)计算valP，即增加了的程序计数器。

译码：寄存器文件有两个读端口A和B，从这两个端口同时读寄存器值valA和valB。

执行：执行阶段会根据指令的类型，将算术/逻辑单元(ALU)用于不同的目的。对整数操作，它要执行指令所指定的运算。对其他指令，它会作为一个加法器来计算增加或减少栈指针，或者计算有效地址，或者只是简单地加0，将一个输入传递到输出。条件码寄存器(CC)有三个条件码位。ALU负责计算条件码的新值。当执行条件传送指令时，根据条件码和传送条件来计算决定是否更新目标寄存器。同样，当执行一条跳转指令时，会根据条件码和跳转类型来计算分支信号Cnd。

访存：在执行访存操作时，数据内存读出或写入一个内存字。指令和数据内存访问的是相同的内存位置，但是用于不同的目的。

写回：寄存器文件有两个写端口。端口E用来写ALU计算出来的值，而端口M用来写从数据内存中读出的值。

PC更新：程序计数器的新值选择自：valP，下一条指令的地址；va1C，调用指令或跳转指令指定的目标地址；va1M，从内存读取的返回地址。

SEQ的时序

SEQ的实现包括组合逻辑和两种存储器设备：时钟寄存器(程序计数器和条件码寄存器)，随机访问存储器(寄存器文件、指令内存和数据内存)。组合逻辑不需要任何时序或控制——只要输入变化了，值就通过逻辑门网络传播。正如提到过的那样，我们也将读随机访问存储器看成和组合逻辑一样的操作，根据地址输入产生输出字。对于较小的存储器来说(例如寄存器文件)，这是一个合理的假设，而对于较大的电路来说，可以用特殊的时钟电路来模拟这个效果。由于指令内存只用来读指令，因此我们可以将这个单元看成是组合逻辑。

现在还剩四个硬件单元需要对它们的时序进行明确的控制——程序计数器、条件码寄存器、数据内存和寄存器文件。这些单元通过一个时钟信号来控制，它触发将新值装载到寄存器以及将值写到随机访问存储器。每个时钟周期，程序计数器都会装载新的指令地址。只有在执行整数运算指令时，才会装载条件码寄存器。只有在执行rmmovq、 pushq或cal1指令时，才会写数据内存。寄存器文件的两个写端口允许每个时钟周期更新两个程序寄存器，不过我们可以用特殊的寄存器IDOxF作为端口地址，来表明在此端口不应该执行写操作。

SEQ的实现

取指阶段：

取指阶段包括指令内存硬件单元。以PC作为第一个字节（字节0）的地址，这个单元一次从内存读出10个字节。第一个字节被解释成指令字节，(标号为“Split”的单元)分为两个4位的数。然后，标号为“icode”和“ifun”的控制逻辑块计算指令和功能码，或者使之等于从内存读出的值，或者当指令地址不合法时(由信号imem error指明)，使这些值对应于nop指令。根据icode的值，我们可以计算三个一位的信号(用虚线表示)。从指令内存中读出的剩下9个字节是寄存器指示符字节和常数字的组合编码。标号为“Align”的硬件单元会处理这些字节，将它们放入寄存器字段和常数字中。当被计算出的信号need_regids为1时，字节1被分开装入寄存器指示符rA和rB中。否则，这两个字段会被设为OxF(RNONE)，表明这条指令没有指明寄存器。任何只有一个寄存器操作数的指令，寄存器指示值字节的另一个字段都设为OxF(RNONE)。因此，可以将信号rA和rB看成，要么放着我们想要访问的寄存器，要么表明不需要访问任何寄存器。这个标号为“Align”的单元还产生常数字valC。根据信号need_regids的值，要么根据字节1～8来产生va1C，要么根据字节2～9来产生。

PC增加器硬件单元根据当前的PC以及两个信号need_regids和need_valc的值，产生信号valP。对于PC值p、need_regids值r以及need_va1c值i，增加器产生值p+1+r+8i。

译码和写回阶段：

寄存器文件有四个端口。它支持同时进行两个读（在端口AB上）和两个写(在端口E和M上)。每个端口都有一个地址连接和一个数据连接，地址连接是一个寄存器ID，而数据连接是一组64根线路，既可以作为寄存器文件的输出字(对读端口来说)，也可以作为它的输入字(对写端口来说)。两个读端口的地址输入为srcA和srcB，而两个写端口的地址输入为dstE和dstM。如果某个地址端口上的值为特殊标识符OxF(RNONE)，则表明不需要访问寄存器。

根据指令代码icode以及寄存器指示值rA和rB，可能还会根据执行阶段计算出的Cnd条件信号。

执行阶段：

执行阶段包括算术/逻辑单元(ALU)。这个单元根据alufun信号的设置，对输入aluA和aluB执行ADD、SUBTRACT、AND或EXCLUSIVE-OR运算。如图4-29所示，这些数据和控制信号是由三个控制块产生的。ALU的输出就是valE信号。执行阶段的第一步就是每条指令的ALU计算。列出的操作数 aluB在前面，后面是aluA，这样是为了保证subq指令是va1B减去valA。可以看到，根据指令的类型，alua的值可以是valA、valC，或者是一8或+8。

访存阶段：

访存阶段的任务就是读或者写程序数据。如图所示，两个控制块产生内存地址和内存输入数据(为写操作)的值。另外两个块产生表明应该执行读操作还是写操作的控制信号。当执行读操作时，数据内存产生值valM。

访存阶段最后的功能是根据取值阶段产生的icode、imem_error、instr_valid值以及数据内存产生的dmem error信号，从指令执行的结果来计算状态码Stat。

更新PC阶段：

SEQ中最后一个阶段会产生程序计数器的新值。如图 最后步骤所示，依据指令的类型和是否要选择分支，新的PC可能是valC、valM或valP。