20145330 第6周《信息安全系統設計基礎》

20145330 第6周《信息安全系統設計基礎》

本章內容是處理器體系結構，重點掌握ISA，並能觸類旁通；本章帶着你們設計並實現了一個結合CISC和RISC思想的處理器Y86，一個類IA32體系的處理器；ISA在編譯器編寫者和處理器設計者之間提供了一個抽象。

教材學習內容總結

• ISA(指令集體系結構）

  • 一個處理器支持的指令和指令的字節級編碼

    4.1 Y86指令集體系結構

• 有8個程序寄存器：%eax、%ecx、%edx、%ebx、%esi、%edi、%esp、%ebp
  • 處理器的每一個程序寄存器存儲一個字，寄存器%esp被入棧、出棧、調用和返回指令做爲棧指針
  • 有3個一位的條件碼：ZF、OF、SF
• Y86指令集
  • movl指令分紅了4個不一樣的指令：irmovl、rrmovl、mrmovl、rmmovl
    • 源和目的:源能夠是當即數（i）、寄存器（r）、存儲器（m）。目的能夠是寄存器（r）、存儲器（m）。
  • 四個整數操做指令，OPI：
    • addl、subl、andl、xorl
    • 它們只對寄存器數據進行操做
    • 這些指令會設置3個條件碼：ZF、OF、SF
  • 7個跳轉指令（jXX):
    • jmp、jle、jl、je、jne、jge、jg
    • 根據分支指令的類型和條件碼的設置來選擇分支
  • 6個條件傳送指令（cmovXX):
    • cmovle、cmovl、cmove、cmovne、cmovge、cmovg
    • 這些指令的格式與rrmovl同樣，可是隻有當條件碼知足所須要的約束時，纔會更新目的寄存器的值
  • call指令將返回地址入棧，而後跳到目的地址。ret指令從這樣的過程調用中返回
  • pushl和popl指令實現了入棧和出棧
  • halt指令中止指令的執行
• 指令編碼
  • 每條指令須要1-6個字節不等
  • 每條指令的第一個字節代表指令的類型：這個字節分爲兩個部分：高4位是代碼部分、低四位是功能部分
  • 練習習題4.1\4.2
• Y86異常
  • AOK:正常操做
  • HLT：處理器執行halt指令
  • ADR：遇到非法地址
  • INS:遇到非法指令
• Y86程序

  • 這個程序中，以「.」開頭的詞是彙編器命令

    4.2 邏輯設計和硬件控制語言HCL

• HCL語言只表達硬件設計的控制部分，只有有限的操做集合。
• 邏輯門
  • AND：&&
  • OR:||
  • NOT:!
    
• 簡單組合電路
  • 習題4.8
• 多路複用器{MUX）
  • 多路複用器根據輸入控制信號的值，從一組不一樣的數據信號中選出一個
  • 在這個簡單的多路複用器中，兩個數據信號是輸入位a和b，控制信號是輸入位s
  • bool out=(s&&a)||(!s&&b)
• 字級的組合電路和HCL整數表達式
  • 位級實現
  • 字級抽象
  • bool Eq=(A==B)
• HCL中，多路複用函數是用狀況表達式來描述的
  • 這個表達式包含一系列狀況，每種狀況i都有一個布爾表達式selecti和一個整數表達式expri，前者代表何時該選擇這種狀況，後者指明的是獲得的值
  • 習題4.10
• 組合邏輯電路
  • 算數/邏輯單元（ALU）是一種很重要的組合電路
• 集合關係
• 存儲器和時鐘
  • 時鐘寄存器（寄存器）：存儲單個位或字。時鐘信號控制寄存器加載輸入值。
  • 隨機訪問存儲器（存儲器）：存儲多個字，用地址來選擇該讀或該寫哪一個字。
  • 程序計數器（PC）
  • 條件代碼（CC）

  • 程序狀態（Stat）

    4.3 Y86的順序實現

• 將處理組織成階段
  • 取指：取指階段從存儲器讀取指令字節，地址爲程序計數器（PC）的值。
    • icode:指令代碼，ifun:指令功能
  • 譯碼：譯碼階段從寄存器文件讀入最多兩個操做數，獲得值valA/valB
  • 執行：在執行階段，算數/邏輯單元（ALU）要麼執行指令指明的操做 ，計算存儲器引用的有效地址，要麼增長或減小指針。
    • 獲得的值稱爲valE
  • 訪存：訪存階段能夠將數據寫入存儲器，或者從存儲器讀出數據。
    • 讀出的值爲valM
  • 寫會：寫會階段最多能夠寫入存儲器。
  • 更新PC：將PC設置成下一條指令的地址。
• Y86指令序列（圖4-17）
• Y86指令OPI、rrmovl、irmovl在順序實現中的計算（圖4-18）
  • 習題4.11

• Y86指令rmmovl、mrmovl在順序實現中的計算（圖4-19）

• Y86指令pushl和popl在順序實現中的計算（圖4-20）
  • 習題4.12
• Y86指令jXX、call、ret在順序實現中的計算（圖4-21）
  • 習題4.16
• SEQ硬件結構
  • 取指：將程序計數器寄存器做爲地址，指令存儲器讀取指令的字節。
  • 譯碼：寄存器文件有兩個讀端口A和B，從這兩個端口同時讀取寄存器值valA、valB
  • 執行：根據指令類型將ALU用於不一樣目的。
  • 訪存：數據存儲器讀入或寫入一個存儲器字。
  • 寫回：寄存器文件有兩個端口

• SEQ的時序

  Y86模擬器的安裝

• 構建YIS環境

  • 解壓命令：tar -xvf sim.tar
    

  • 進入：cd sim
  • 圖形界面須要安裝Tcl/Tk
    • sudo apt-get install tcl8.5-dev tk8.5-dev tcl8.5 tk8.5
  • 進行文件的修改（打開文件目錄下的makefile文件夾，用leafpad或者其餘記事本進行修改）

    • GUIMODE=-DHAS_GUI （去掉原有註釋#）

    • TKLIBS=-L/usr/lib/ -ltk8.5 -ltcl8.5

    • TKINC=-I/usr/include/tcl8.5
      

  • 編譯 在sim文件夾下右鍵選擇在終端中打開，輸入make clean;make
    

代碼調試中的問題和解決過程

YIS

• 問題：沒有找到下載的sim
• 解決方法：從新下載記住保存路徑，爲了方便我放在主文件夾下。

• 問題：找不到psim

• 解決方法：從新安裝了一遍也並無找到問題所在，因此用實驗樓繼續試驗...
  

• 實驗樓也出現了一點問題不過是字母大小寫的緣由。
  

• 最終進行彙編，asuml.yo就是彙編後的結果。

  教材學習中的問題和解決過程

• 4.1
  • 題目：肯定Y86指令序列的字節編碼
    • .pos ox100
    • irmovl $15,%ebx
    • rrmovl %ebx,%ecx
  • 解決方法：比照Y86指令集，irmovl V,rB 爲 30 F rB V
    • 將15化爲十六進制表示爲0x0000000f,以反向順序來寫就是0f000000
    • rrmovl rA rB 爲 20 rA rB
    • 對照寄存器名字與數字，爲2031
    • 答案：0x100:30f30f000000

    • 0x106:2031

• 4.2
  • 題目：肯定字節序列所編碼的Y86指令序列
    • 0x400:6113730004000000
    • 0x500:6362a0f0
  • 解決方法：先看開始兩個字節判斷指令與功能，分步分析。
    • 0x400:6113| subl %ecx,%ebx
    • 0x402:7300040000| je loop
    • 0x407:00| halt
    • 0x500:6362| xorl %esi,%edx
    • 0x502:a0| pushl
    • 0x503:f0|
• 4.8
  • 題目：寫出信號xor的HCL表達式，xor就是異或，輸入爲a和b。信號xor和上面定義的eq有什麼關係呢
  • 解決方法：用邏輯門語句。數據類型bool
    • bool xor=(!a&&b)||(a&&!b)
    • 一般，信號eq和xor是互補的。也就是，一個等於1，另外一個等於0
    • bool eq=(a&&b)||(!a&&!b)
• 4.10
  • 題目：寫一個電路的HCL代碼，對於輸入字A,B,C，選擇中間值。
  • 解決方法：也就是，輸出等於三個輸入中居於最小值最大值中間的那個字
    • 個人思路是會有abc,cba,bac,cab,acb,bca六種狀況，列舉法好了。
    • int Med3=[
      • A<=B&&B<=C:B;
      • C<=B&&B<=A:B;
      • B<=A&&A<=C:A;
      • C<=A&&A<=B:A;
      • 1 :C;
      • ];
• 4.12
  • 題目：valM=M4[valA]
    • 不清楚這一步具體如何實現
  • 解決方法：由上一步知：valA=124，則M4[124]查看指令序列%esp=124找到這行指令：pushl %edx，知%edx=9
  • 答案：valM=M4[valA]=9

本週代碼託管

• 託管連接：https://git.oschina.net/20145330swx/Linux

  感悟與思考

• 本週的內容是按部就班的，要從第一節看到第七節才能比較好的掌握知識，天天學習一點點是良好的學習方法。在進行Y86的安裝時剛開始比較順利後面越是遇到了一些問題，不明白一步步按教程安裝爲何會出現找不着目錄的問題，以後我還會探索。還好有實驗樓讓我完成了實驗。

  學習進度條

	代碼行數（新增/累積	博客量（新增/累積）	學習時間（新增/累積）	重要成長
目標	5000行	30篇	400小時
第一週	200/200	2/2	20/20
第二週	300/500	2/4	18/38
第三週	500/1000	3/7	22/60
第四周	000/1000	2/9	30/90
第五週	200/1200	1/10	30/120
第六週	100/1300	1/101	30/150