操作系统（八）指令系统结构

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第五章 指令系统结构

指令

执行流程

  1. 取指阶段：以PC作为第一个字节的地址，从内存中读出10个字节
  2. 译码阶段：指令字段译码，将操作数的值写到ALU读取的寄存器位置
  3. 执行阶段：ALU根据操作数和操作码计算值
  4. 访存阶段：读写内存位置
  5. 写回阶段：将结果值写入寄存器
  6. 更新PC：更新PC指向下一条指令的地址
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指令示例

irmovq

将一个 64 位的立即数（常数）加载到目标寄存器中

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pushq

将一个 64 位的值从寄存器存储到栈上，并更新栈指针（%rsp）

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rmmovq

将一个寄存器的值存储到内存的某个地址中，该地址由一个基地址和一个偏移量计算得到

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流水线

基本形式

通过将多个指令分解为一系列子任务，并将这些子任务分阶段并行执行来实现指令并行处理

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数据冒险

原因

指令乱序执行时，可能会发生读取数据与写入数据之间的时序与空间的相关性，成为数据冒险。如果不加以处理，可能会导致竞态条件，即读的不是想要的值或写的不是正确位置

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解决办法
  • 延迟执行：硬件上阻止指令执行，增加流水线气泡
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  • 插入无关指令：软件上插入无关指令
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  • 数据旁路：使用最新计算结果，不等待寄存器写回结果
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控制冒险

原因

处理器遇到分支指令，不能在流水开始阶段就判断出分支结果

解决办法

  • 延迟执行：增加流水线气泡

  • 分支预测：使用分支预测，然后投机执行。如果分支预测失败，则要有能力恢复到分支指令执行完毕时刻的寄存器状态，进入正确的分支继续执行

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