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Introduction
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PA0 - 世界诞生的前夜: 开发环境配置
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<a href="0.1.html">
Installing GNU/Linux
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First Exploration with GNU/Linux
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Configuring vim
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<a href="0.5.html">
More Exploration
</a>
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<li class="chapter " data-level="1.2.6" data-path="0.6.html">
<a href="0.6.html">
Getting Source Code for PAs
</a>
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</ul>
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<a href="PA1.html">
PA1 - 开天辟地的篇章: 最简单的计算机
</a>
<ul class="articles">
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<a href="1.1.html">
在开始愉快的PA之旅之前
</a>
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<a href="1.2.html">
开天辟地的篇章
</a>
</li>
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<a href="1.3.html">
RTFSC
</a>
</li>
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<a href="1.4.html">
基础设施
</a>
</li>
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表达式求值
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</li>
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<a href="1.6.html">
监视点
</a>
</li>
<li class="chapter " data-level="1.3.7" data-path="1.7.html">
<a href="1.7.html">
如何阅读手册
</a>
</li>
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<a href="PA2.html">
PA2 - 简单复杂的机器: 冯诺依曼计算机系统
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<ul class="articles">
<li class="chapter " data-level="1.4.1" data-path="2.1.html">
<a href="2.1.html">
不停计算的机器
</a>
</li>
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<a href="2.2.html">
RTFSC(2)
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<a href="2.3.html">
程序, 运行时环境与AM
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<a href="2.4.html">
基础设施(2)
</a>
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<li class="chapter " data-level="1.4.5" data-path="2.5.html">
<a href="2.5.html">
输入输出
</a>
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<a href="PA3.html">
PA3 - 穿越时空的旅程: 批处理系统
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<a href="3.1.html">
最简单的操作系统
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<a href="3.2.html">
穿越时空的旅程
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<a href="3.3.html">
用户程序和系统调用
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文件系统
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<a href="3.5.html">
精彩纷呈的应用程序
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PA4 - 虚实交错的魔法: 分时多任务
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<a href="4.1.html">
多道程序
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<a href="4.2.html">
虚实交错的魔法
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超越容量的界限
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来自外部的声音
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<a href="4.5.html">
编写不朽的传奇
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<!-- Title -->
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<a href="." >指令执行例子</a>
</h1>
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<h1 id="x86的mov指令执行例子剖析">x86的mov指令执行例子剖析</h1>
<p>我们举两个<code>mov</code>指令的例子, 它们是NEMU自带的客户程序<code>mov</code>中的两条指令:</p>
<pre><code>100000: b8 34 12 00 00 mov $0x1234,%eax
......
100017: 66 c7 84 99 00 e0 ff movw $0x1,-0x2000(%ecx,%ebx,4)
10001e: ff 01 00
</code></pre><h2 id="简单mov指令的执行">简单mov指令的执行</h2>
<p>我们先来剖析第一条<code>mov $0x1234, %eax</code>指令的执行过程.</p>
<h3 id="取指instruction-fetch-if">取指(instruction fetch, IF)</h3>
<p>首先通过<code>inst_fetch()</code>取得这条指令的第一个字节<code>0xb8</code>.</p>
<h3 id="译码instruction-decode-id">译码(instruction decode, ID)</h3>
<p>在<code>isa_exec_once()</code>函数中用这条指令的第一个字节<code>0xb8</code>来进行模式匹配,
发现这一指令的操作数宽度是<code>4</code>字节的<code>mov</code>指令, 形式是将立即数移入寄存器(move immediate to register).</p>
<p>事实上, 一个字节最多只能区分256种不同的指令形式.
当指令形式的数目大于256时, 我们需要使用另外的方法来识别它们.
x86中有主要有两种方法来解决这个问题(在PA2中你都会遇到这两种情况):</p>
<ul>
<li>一种方法是使用转义码(escape code), x86中有一个2字节转义码 <code>0x0f</code>, 当指令<code>opcode</code>的第一个字节是<code>0x0f</code>时,
表示需要再读入一个字节才能决定具体的指令形式(部分条件跳转指令就属于这种情况).
后来随着各种SSE指令集的加入, 使用2字节转义码也不足以表示所有的指令形式了,
x86在2字节转义码的基础上又引入了3字节转义码, 当指令<code>opcode</code>的前两个字节是<code>0x0f</code>和<code>0x38</code>时,
表示需要再读入一个字节才能决定具体的指令形式.</li>
<li>另一种方法是使用<code>ModR/M</code>字节中的扩展opcode域来对<code>opcode</code>的长度进行扩充.
有些时候, 读入一个字节也还不能完全确定具体的指令形式, 这时候需要读入紧跟在<code>opcode</code>后面的<code>ModR/M</code>字节,
把其中的<code>reg/opcode</code>域当做<code>opcode</code>的一部分来解释, 才能决定具体的指令形式.
x86把这些指令划分成不同的指令组(instruction group),
在同一个指令组中的指令需要通过<code>ModR/M</code>字节中的扩展opcode域来区分.</li>
</ul>
<p>接下来还需要识别指令的操作数.
对于<code>mov $0x1234, %eax</code>指令来说, 识别操作数其实就是识别寄存器<code>%eax</code>和立即数<code>$0x1234</code>.
在x86中, 通用寄存器都有自己的编号,<code>I2r</code>形式的指令把寄存器编号也放在指令的第一个字节里面,
我们可以通过位运算将寄存器编号抽取出来; 立即数存放在指令的第二个字节, 可以很容易得到它.
需要说明的是, 由于立即数是指令的一部分, 我们还需要通过<code>inst_fetch()</code>函数来获得它.</p>
<p>此外, x86的译码类型主要以i386手册附录A中的操作数表示记号来命名,
直接反映了操作数的类型和数据流向.
例如<code>I2r</code>表示将立即数移入寄存器, 其中<code>I</code>表示立即数, <code>2</code>表示英文<code>to</code>, <code>r</code>表示通用寄存器,
更多的记号请参考i386手册.</p>
<h3 id="执行execute-ex">执行(execute, EX)</h3>
<p>对于<code>mov $0x1234, %eax</code>指令来说, 执行阶段的工作就是把立即数<code>$0x1234</code>送到寄存器<code>%eax</code>中.
直接通过<code>Rw()</code>宏实现这一功能即可.</p>
<h3 id="更新pc">更新PC</h3>
<p>把<code>s->dnpc</code>赋值给<code>cpu.pc</code>即可.</p>
<h2 id="复杂mov指令的执行">复杂mov指令的执行</h2>
<p>对于第二个例子<code>movw $0x1, -0x2000(%ecx,%ebx,4)</code>, 执行这条执行还是分取指, 译码, 执行三个阶段.</p>
<p>首先是取指.
这条mov指令比较特殊, 它的第一个字节是<code>0x66</code>, 如果你查阅i386手册, 你会发现<code>0x66</code>是一个<code>operand-size prefix</code>.
因为这个前缀的存在, 本例中的<code>mov</code>指令才能被CPU识别成<code>movw</code>.
NEMU通过一个局部变量标志<code>is_operand_size_16</code>来记录操作数宽度前缀是否出现,
模式匹配中的<code>0x66</code>将设置该标志,
然后通过<code>goto</code>语句回到函数的开头重新取出操作码, 此时取得了真正的操作码<code>0xc7</code>.
由于<code>is_operand_size_16</code>标志已设置, 在后续译码过程中将会确定操作数长度为<code>2</code>字节.</p>
<div class="panel panel-info"><div class="panel-heading"><h5 class="panel-title" id="x86的操作数宽度处理"><i class="fa fa-comment-o"></i> x86的操作数宽度处理</h5></div><div class="panel-body"><p>大部分x86指令都有不同操作数宽度的版本, 因此x86的操作数宽度信息记录会更复杂:
首先模式匹配规则中给出的宽度信息确定操作数宽度;
若该操作数宽度结果为<code>0</code>, 表示仅仅根据操作码来判断, 操作数宽度还不能确定,
可能是16位或者32位, 需要通过<code>is_operand_size_16</code>来决定.</p></div></div>
<p>接下来是识别操作数.
根据操作码<code>0xc7</code>查找相应的模式匹配规则, 发现译码类型为<code>I2E</code>,
于是分别调用<code>decode_rm()</code>和<code>imm()</code>来取出操作数.
由于本例中的<code>mov</code>指令需要访问内存, 因此除了要识别出立即数之外, 还需要确定好要访问的内存地址.
x86通过<code>ModR/M</code>字节来指示内存操作数, 支持各种灵活的寻址方式.
其中最一般的寻址格式是</p>
<blockquote>
<p>displacement(R[base_reg], R[index_reg], scale_factor)</p>
</blockquote>
<p>相应内存地址的计算方式为</p>
<blockquote>
<p>addr = R[base_reg] + R[index_reg] * scale_factor + displacement</p>
</blockquote>
<p>其它寻址格式都可以看作这种一般格式的特例, 例如</p>
<blockquote>
<p>displacement(R[base_reg])</p>
</blockquote>
<p>可以认为是在一般格式中取<code>R[index_reg] = 0, scale_factor = 1</code>的情况.
这样, 确定内存地址就是要确定<code>base_reg</code>, <code>index_reg</code>, <code>scale_factor</code>和<code>displacement</code>这4个值,
而它们的信息已经全部编码在<code>ModR/M</code>字节里面了.</p>
<p>我们以本例中的<code>movw $0x1, -0x2000(%ecx,%ebx,4)</code>说明如何识别出内存地址:</p>
<pre><code>100017: 66 c7 84 99 00 e0 ff movw $0x1,-0x2000(%ecx,%ebx,4)
10001e: ff 01 00
</code></pre><p>根据<code>I2E</code>的指令形式, <code>0xc7</code>是<code>opcode</code>, <code>0x84</code>是<code>ModR/M</code>字节.
在i386手册中查阅表格17-3得知, <code>0x84</code>的编码表示在<code>ModR/M</code>字节后面还跟着一个<code>SIB</code>字节,
然后跟着一个32位的<code>displacement</code>.
于是读出<code>SIB</code>字节, 发现是<code>0x99</code>.
在i386手册中查阅表格17-4得知, <code>0x99</code>的编码表示<code>base_reg = ECX, index_reg = EBX, scale_factor = 4</code>.
在<code>SIB</code>字节后面读出一个32位的<code>displacement</code>, 发现是<code>00 e0 ff ff</code>,
在小端存储方式下, 它被解释成<code>-0x2000</code>.
于是内存地址的计算方式为</p>
<blockquote>
<p>addr = R[ECX] + R[EBX] * 4 - 0x2000</p>
</blockquote>
<p>框架代码已经实现了<code>decode_rm()</code>函数和<code>load_addr()</code>函数, 其函数原型为</p>
<pre><code class="lang-c"><span class="hljs-function"><span class="hljs-keyword">void</span> <span class="hljs-title">decode_rm</span><span class="hljs-params">(Decode *s, <span class="hljs-keyword">int</span> *rm_reg, word_t *rm_addr, <span class="hljs-keyword">int</span> *reg, <span class="hljs-keyword">int</span> width)</span></span>;
<span class="hljs-function"><span class="hljs-keyword">void</span> <span class="hljs-title">load_addr</span><span class="hljs-params">(Decode *s, ModR_M *m, word_t *rm_addr)</span></span>;
</code></pre>
<p>它们将<code>s->snpc</code>所指向的内存位置解释成<code>ModR/M</code>字节,
根据上述方法对<code>ModR/M</code>字节和<code>SIB</code>字节进行译码, 把译码结果存放到参数<code>rm_reg</code>和<code>rm_addr</code>指向的变量中.
虽然i386手册中的表格17-3和表格17-4内容比较多, 仔细看会发现,
<code>ModR/M</code>字节和<code>SIB</code>字节的编码都是有规律可循的,
所以<code>load_addr()</code>函数可以很简单地识别出计算内存地址所需要的4个要素(当然也处理了一些特殊情况).
不过你现在可以不必关心其中的细节, 框架代码已经为你封装好这些细节, 并且提供了各种用于译码的接口函数.</p>
<p>本例中的执行阶段就是要把立即数写入到相应的内存位置.
译码阶段已经把操作数准备好了, 通过<code>RMw()</code>宏完成数据移动的操作, 最终更新PC.</p>
<footer class="page-footer-ex"> <span class="page-footer-ex-copyright"> By <a href="https://sashimi-yzh.github.io/" target="_blank">Zihao Yu</a>, 采用<a href="http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/cn/" target="_blank">知识共享 署名-非商业性使用-相同方式共享 3.0 中国大陆 许可协议</a>发布 </span>            <span class="page-footer-ex-footer-update"> 此页面修订于: 2024-09-12 10:44:20 </span> </footer>
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