nju-pa摸鱼记4-指令的生命周期

一、前言

在之前的3篇专栏中，主要探讨了NEMU中一些巧妙的宏定义，以及关于计算模型的思考。从本篇开始，将专注于“模拟器如何模拟真实计算机”这一话题。计算机最基础、最核心的功能是执行指令，因此执行指令也是NEMU模拟器最基本的功能。

二、计算机中指令的生命周期

对于精简指令集系统，五级流水线是一种经典的CPU核结构，它将一条指令的处理过程分为5个阶段：

  • 取指：维护PC寄存器，发起访存请求从内存中取出指令；

  • 译码：翻译取出的指令，确定指令的操作方法和操作对象；

  • 执行：通过运算部件（如ALU，乘法器等）对操作对象进行算

  • 访存：若为访存类指令，则在这个阶段进行访存；

  • 写回：将指令的运算、访存等结果写回目的寄存器。

这五个阶段轮流往复地运行，计算机便能自动地运行下去。

三、NEMU中指令的生命周期

在真实的CPU中，为了提升效率，在取指完成后PC跳转到紧接着当前指令的下一条指令继续取指，如果遇到跳转指令，可以冲刷流水线或者使用分支预测等技术增大取指的正确率。而在模拟器中则没有对于性能的要求，完全可以等到指令执行结束再更新PC，然后开始取下一条指令，在NEMU中，指令执行阶段的划分为：

  • 取指：通过PC值访问“内存”，取出指令；

  • 译码：分析指令，确定操作方法和操作数；

  • 执行：通过对应的处理函数对操作数进行处理，同时将结果写回“寄存器”；

  • 更新PC：根据指令的执行情况更新PC，此PC一定是正确的PC。

下面是一条语句在NEMU中的执行过程：

  1. NEMU调用定义在src/cpu/cpu-exec.c中的cpu_exec()函数，该函数将反复进行取指、译码、执行、更新PC这个过程，直到遇到停机、断点或是什么别的情况。

  2. cpu_exec()函数的核心是一个死循环，其中包括了fetch_decode_exec_updatepc()函数，该函数的定义如下：

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// src/cpu/cpu-exec.c
static void fetch_decode_exec_updatepc(Decode *s) {
  fetch_decode(s, cpu.pc);  // fetch and decode
  s->EHelper(s);            // exec
  cpu.pc = s->dnpc;         // update pc
}

它将取指译码、执行和更新PC解构，分别对应函数中的三条语句。

  1. 首先调用fetch_decode()函数，该函数的核心功能可以简化如下：
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// src/cpu/cpu-exec.c
void fetch_decode(Decode *s, vaddr_t pc) {
  s->pc = pc;
  s->snpc = pc;
  int idx = isa_fetch_decode(s);
  s->dnpc = s->snpc;
  s->EHelper = g_exec_table[idx];
}

在fetch_decode()函数中，通过isa_fetch_decode()函数得到指令所对应的序号，该序号和这条指令对应处理函数在列表中的下标相同，然后为函数指针s->EHelper赋值为对应的处理函数。

  1. 进入isa_fetch_decode()函数，取指和译码进一步被解构，instr_fetch()函数负责与内存交互取指令；table_main()函数是译码函数，将取回的函数和模式串一一比对，若匹配成功则返回该指令对应的序号，若失败则返回一个无效指令序号，这将导致NEMU产生运行异常报给用户。同时在译码时，也将获取该指令的所有操作数，包括立即数和寄存器，它们都将被存在Decode结构中。
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// src/isa/risCV64/instr/decode.c
int isa_fetch_decode(Decode *s) {
  s->isa.instr.val = instr_fetch(&s->snpc, 4);
  int idx = table_main(s);
  return idx;
}
  1. 现在返回到fetch_decode_exec_updatepc()函数中，它的第二条语句调用了s->EHelper()函数执行该指令，这些执行函数被定义在src/isa/$ISA/instr下的若干.h文件中，比如说lui指令的处理函数：
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// src/isa/$ISA/instr/compute.h
def_EHelper(lui) {
  rtl_li(s, ddest, id_src1->imm);
}

它是由更加细化的rtl级函数rtl_li所完成的，所有指令的终点都是若干rtl函数，也就是将指令拆解成“微指令”。

  1. 执行完s->EHelper()后，语句
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cpu.pc = s->dnpc;         // update pc

将完成更新PC的过程。