20145330 第6周《信息安全系统设计基础》

20145330 第6周《信息安全系统设计基础》

本章内容是处理器体系结构，重点掌握ISA，并能举一反三；本章带着大家设计并实现了一个结合CISC和RISC思想的处理器Y86，一个类IA32体系的处理器；ISA在编译器编写者和处理器设计者之间提供了一个抽象。

教材学习内容总结

ISA(指令集体系结构）

一个处理器支持的指令和指令的字节级编码

4.1 Y86指令集体系结构

有8个程序寄存器：%eax、%ecx、%edx、%ebx、%esi、%edi、%esp、%ebp

处理器的每个程序寄存器存储一个字，寄存器%esp被入栈、出栈、调用和返回指令作为栈指针

有3个一位的条件码：ZF、OF、SF

Y86指令集

movl指令分成了4个不同的指令：irmovl、rrmovl、mrmovl、rmmovl

源和目的:源可以是立即数（i）、寄存器（r）、存储器（m）。目的可以是寄存器（r）、存储器（m）。

四个整数操作指令，OPI：

addl、subl、andl、xorl

它们只对寄存器数据进行操作

这些指令会设置3个条件码：ZF、OF、SF

7个跳转指令（jXX):

jmp、jle、jl、je、jne、jge、jg

根据分支指令的类型和条件码的设置来选择分支

6个条件传送指令（cmovXX):

cmovle、cmovl、cmove、cmovne、cmovge、cmovg

这些指令的格式与rrmovl一样，但是只有当条件码满足所需要的约束时，才会更新目的寄存器的值

call指令将返回地址入栈，然后跳到目的地址。ret指令从这样的过程调用中返回

pushl和popl指令实现了入栈和出栈

halt指令停止指令的执行

指令编码

每条指令需要1-6个字节不等

每条指令的第一个字节表明指令的类型：这个字节分为两个部分：高4位是代码部分、低四位是功能部分

练习习题4.1\4.2

Y86异常

AOK:正常操作

HLT：处理器执行halt指令

ADR：遇到非法地址

INS:遇到非法指令

Y86程序

这个程序中，以“.”开头的词是汇编器命令

4.2 逻辑设计和硬件控制语言HCL

HCL语言只表达硬件设计的控制部分，只有有限的操作集合。

逻辑门

AND：&&

OR:||

NOT:!

简单组合电路

习题4.8

多路复用器{MUX）

多路复用器根据输入控制信号的值，从一组不同的数据信号中选出一个

在这个简单的多路复用器中，两个数据信号是输入位a和b，控制信号是输入位s

bool out=(s&&a)||(!s&&b)

字级的组合电路和HCL整数表达式

位级实现

字级抽象

bool Eq=(A==B)

HCL中，多路复用函数是用情况表达式来描述的

这个表达式包含一系列情况，每种情况i都有一个布尔表达式selecti和一个整数表达式expri，前者表明什么时候该选择这种情况，后者指明的是得到的值

习题4.10

组合逻辑电路

算数/逻辑单元（ALU）是一种很重要的组合电路

集合关系

存储器和时钟

时钟寄存器（寄存器）：存储单个位或字。时钟信号控制寄存器加载输入值。

随机访问存储器（存储器）：存储多个字，用地址来选择该读或该写哪个字。

程序计数器（PC）

条件代码（CC）

程序状态（Stat）

4.3 Y86的顺序实现

将处理组织成阶段

取指：取指阶段从存储器读取指令字节，地址为程序计数器（PC）的值。

icode:指令代码，ifun:指令功能

译码：译码阶段从寄存器文件读入最多两个操作数，得到值valA/valB

执行：在执行阶段，算数/逻辑单元（ALU）要么执行指令指明的操作 ，计算存储器引用的有效地址，要么增加或减少指针。

得到的值称为valE

访存：访存阶段可以将数据写入存储器，或者从存储器读出数据。

读出的值为valM

写会：写会阶段最多可以写入存储器。

更新PC：将PC设置成下一条指令的地址。

Y86指令序列（图4-17）

Y86指令OPI、rrmovl、irmovl在顺序实现中的计算（图4-18）

习题4.11

Y86指令rmmovl、mrmovl在顺序实现中的计算（图4-19）

Y86指令pushl和popl在顺序实现中的计算（图4-20）

习题4.12

Y86指令jXX、call、ret在顺序实现中的计算（图4-21）

习题4.16

SEQ硬件结构

取指：将程序计数器寄存器作为地址，指令存储器读取指令的字节。

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取寄存器值valA、valB

执行：根据指令类型将ALU用于不同目的。

访存：数据存储器读入或写入一个存储器字。

写回：寄存器文件有两个端口

SEQ的时序

Y86模拟器的安装

构建YIS环境

解压命令：tar -xvf sim.tar



进入：cd sim

图形界面需要安装Tcl/Tk

sudo apt-get install tcl8.5-dev tk8.5-dev tcl8.5 tk8.5

进行文件的修改（打开文件目录下的makefile文件夹，用leafpad或者其他记事本进行修改）

GUIMODE=-DHAS_GUI （去掉原有注释#）

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

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



编译 在sim文件夹下右键选择在终端中打开，输入make clean;make

代码调试中的问题和解决过程

YIS

问题：没有找到下载的sim

解决方法：重新下载记住保存路径，为了方便我放在主文件夹下。



问题：找不到psim

解决方法：重新安装了一遍也并没有找到问题所在，所以用实验楼继续试验...



实验楼也出现了一点问题不过是字母大小写的原因。



最终进行汇编，asuml.yo就是汇编后的结果。

教材学习中的问题和解决过程

4.1

题目：确定Y86指令序列的字节编码

.pos ox100

irmovl $15,%ebx

rrmovl %ebx,%ecx

解决方法：比照Y86指令集，irmovl V,rB 为 30 F rB V

将15化为十六进制表示为0x0000000f,以反向顺序来写就是0f000000

rrmovl rA rB 为 20 rA rB

对照寄存器名字与数字，为2031

答案：0x100:30f30f000000

0x106:2031

4.2

题目：确定字节序列所编码的Y86指令序列

0x400:6113730004000000

0x500:6362a0f0

解决方法：先看开始两个字节判断指令与功能，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

题目：写出信号xor的HCL表达式，xor就是异或，输入为a和b。信号xor和上面定义的eq有什么关系呢

解决方法：用逻辑门语句。数据类型bool

bool xor=(!a&&b)||(a&&!b)

通常，信号eq和xor是互补的。也就是，一个等于1，另一个等于0

bool eq=(a&&b)||(!a&&!b)

4.10

题目：写一个电路的HCL代码，对于输入字A,B,C，选择中间值。

解决方法：也就是，输出等于三个输入中居于最小值最大值中间的那个字

我的思路是会有abc,cba,bac,cab,acb,bca六种情况，列举法好了。

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

题目：valM=M4[valA]

不清楚这一步具体如何实现

解决方法：由上一步知：valA=124，则M4[124]查看指令序列%esp=124找到这行指令：pushl %edx，知%edx=9

答案：valM=M4[valA]=9

本周代码托管

托管链接：https://git.oschina.net/20145330swx/Linux

感悟与思考

本周的内容是循序渐进的，要从第一节看到第七节才能比较好的掌握知识，每天学习一点点是良好的学习方法。在进行Y86的安装时刚开始比较顺利后面越是遇到了一些问题，不明白一步步按教程安装为什么会出现找不着目录的问题，之后我还会探索。还好有实验楼让我完成了实验。

学习进度条

	代码行数（新增/累积	博客量（新增/累积）	学习时间（新增/累积）	重要成长
目标	5000行	30篇	400小时
第一周	200/200	2/2	20/20
第二周	300/500	2/4	18/38
第三周	500/1000	3/7	22/60
第四周	000/1000	2/9	30/90
第五周	200/1200	1/10	30/120
第六周	100/1300	1/101	30/150