本篇部落格試圖對cpu執行的細節進行一次全景式的描述，以彌補寫version1.0時的缺憾。此文以《深入理解計算機系統》的第四章「處理器體系結構」為藍本，結合從《編碼》中得到的知識，力圖把執行一條指令時，每一步中cpu到底都幹了些什麼描述清楚。
由於這個執行過程與所使用的指令集密不可分，所以首先擺上《系統》中用到的isa：
這是一套不定長的指令集，指令之間的長度並不一致，直覺上這比定長指令要麻煩些（麻煩的是硬體的設計）。大體上，這些指令分為三部分：第一部分是指令指示符，佔乙個位元組；第二部分是暫存器指示符，也就是暫存器位址，也佔乙個位元組；第三部分是立即數，表示乙個位址或者運算元，四個位元組。其中第一部分是必不可少的，剩餘的兩部分根據指令型別不同「酌情刪減」。
可以看到，第乙個位元組和第二個位元組還可以繼續細分：乙個位元組有8位，它們被平均分成高四位與低四位，裡面存放著不同的**。
暫存器指示符位元組的兩個部分意義很簡單，它們分別代表兩個暫存器位址，一般來講（好吧是我瞎猜）ra代表源暫存器，而rb代表目的暫存器。如果乙個暫存器位址被設為0xf，則意味著不需要訪問暫存器。原來暫存器也是有位址的，表面上我們看到的是%eax，%ebx這個字元，但這只是為了方便人類的閱讀，計算機內部還是要把字元翻譯成數字的。請看下圖：
指令指示符位元組的兩個部分分別稱為code和function，code表示乙個大類，如果該類指令下有許多指令，則需要用function來標號不同的指令，沒有的話就設為0（注：此句說法有誤。應該是，此類指令只有一條的話，function值是0，若有其他指令，則在0的後面遞增）。可以看到，code的值是從0到0xb，代表12類不同的指令，而2、6、7號指令下面有再細分，function用fn代表，不再詳細論述。
那麼問題來了：如何識別以及利用這些**呢？比如0號指令代表halt指令，電腦怎麼知道？畢竟目前這只是停留在紙面上。我的意思是，必須有個翻譯電路，把這些代號翻譯成相應的控制訊號（以後會在我的文章經常看到「翻譯」這個詞，我覺得計算機中經常會用到這個「方法」，比如ip系統）。《系統》中有這麼一句話：每條指令的第乙個位元組有唯一的code和function組合，給定這個位元組我們就可以決定所有其他附加位元組的長度和含義。下面我們就來具體解釋一下這句話的含義：
由圖可以看到，每條指令被執行之前，其起始位址就已經被載入到pc中，新的時鐘週期一旦開始，在控制訊號的作用下，各個相關的」門「就會被開啟，於是記憶體中相應位址中的指令就會被瞬間傳輸到指令暫存器中（好吧，這裡其實有個問題我也沒搞清楚：就是如何確定指令的長度？因為這裡的說法似乎暗示指令的所有位元組是一次性取出的，但是那句話的暗示感覺相反：即先取出第乙個位元組才能確定總指令長度），然後指令暫存器中的指令被分拆：
第乙個位元組被送到split單元，並在那裡被拆分成code和function，然後分別送往icode和ifun兩個部件（目前我們只可以把它們視為黑盒子，不需要了解內部電路的實現），icode根據code值計算出三個訊號instr_valid、need_regids、need_valc，其含義是指令合法性、是否需要訪問暫存器、有無立即數。
剩餘的位元組被送往align單元，align會根據need_regids訊號和暫存器指示符位元組產生暫存器的位址訊號（這個訊號應該被送往暫存器的位址選擇器），具體來說，如果need_regids=0，那表示不需要訪問暫存器，那麼位址訊號就會被align設為0xf；如果need_regids=1，那表示要訪問暫存器，那麼產生的位址訊號其實直接等於從記憶體中讀取的**，align不會做什麼改變，於是這個時候如果只需要乙個暫存器的話，另乙個暫存器位址必須要攜程0xf，而且是由指令本身提供的，而不是由align設定。
另外align還要產生立即數，它需要兩個資訊，即need_regids、need_valc：如果need_valc=0，那就不需要了；如果need_valc=1，那還要看need_regids的值，以便確定第二個位元組是不是valc的起始位元組。
寫到這裡，我越來越覺得，應該不會一次性（即在乙個時鐘週期內）把指令的全部位元組讀入指令儲存器，而是先讀入第乙個，然後根據需要再讀入後續位元組。比如，有的指令本身只有乙個位元組，第二個位元組根本不存在，那還讀入幹嘛？甚至第二個位元組本身可能是下一條指令的首位元組，這樣的話，cpu處理下一條指令的時候會把其他位元組當成指令指示符，然後可以預見整個程式就會崩潰。
不過接著我讀到這句話，又徹底推翻了剛才的結論：pc增加器單元根據當前的pc以及need_regids、need_valc產生valp，即下一條指令的位址。
計算方式為：p+1+r+4i,其中p為當前指令的其起始位址，1代表指令指示符，r是need_regids的值，而i是need_valc的值。這個公式很簡單對不？但是我從中看到了剛才的邏輯裡面致命的乙個缺點，即只要有valp，不管現在這條指令有沒有讀入下一條指令的位元組，總能確定下一條指令的起始位址。還有，指令從記憶體到指令暫存器的過程是乙個複製的過程，而不是剪下。。。所以，cpu的邏輯就是：不管你這條指令有多長，我先一次性讀入六個位元組再說，後面的位元組用到了最好，用不到也不妨礙下一條指令的執行。（不得不說，這個發現是在我寫的過程中發現的，前幾天想了好久也沒想出來，看來「寫是為了更好的思考」這句話真的很對）
我想，寫到這裡基本上就可以結束了，最關鍵的那部分就只有這麼多了。剩下的部分無非就是alu、暫存器、記憶體等部件在由icode和ifun產生的控制訊號的控制下，開啟或關閉各種「門」，讓資料按照指定的管道流動，非常瑣碎。可能alu的實現稍微複雜一些，但今天就先寫這麼多吧。有時間再補充。
指令與CPU的執行探微 二）
這篇部落格主要將介紹cpu硬體層面上的一些細節，但不會涉及全部的元件，只描述我個人認為重要的幾個點而已，更具體詳盡的描述要看前面那篇文章中介紹的兩本書。1 位址與定址 這在之前是個非常折磨我的問題，我實在想象不出如何根據乙個數字去尋找記憶體中相應的單元，難不成每個單元上面都貼著標籤？直到我看到下面所...
CPU指令亂序執行問題
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