Компьютерные системы: взгляд программиста (глобальное издание): контракт ISA и архитектурное состояние

Те Архитектура набора инструкций (ISA) выступает в качестве фундаментального уровня абстракции и формального контракта между программным обеспечением и аппаратным обеспечением. Хотя высокие уровни языков программирования, такие как С, скрывают сложность, ISA раскрывает архитектурное состояние—точную конфигурацию регистров процессора и памяти.

1. Архитектурное состояние

x86-64 процессор определяет свое состояние через несколько ключевых компонентов:

Счетчик программы (%rip): Содержит адрес следующей инструкции.
Файл целочисленных регистров: 16 универсальных регистров (например, %rax, %rbx) для хранения 64-битных значений.
Признаки состояния: Флаги (ZF, SF, CF, OF) для управления потоком выполнения.
Векторные регистры: Такие как регистры YMM (256 бит) для операций SIMD.

2. Абстракция памяти

Машинный код рассматривает память как огромный массив с адресацией по байтам. Хотя x86-64 поддерживает 64-битные виртуальные адреса, современные реализации часто используют 48-битное адресное пространство ($2^{48}$ байт). Мы классифицируем размеры данных как Слово (16 бит), Двойное слово (32 бита) и Четверное слово (64 бит).

3. Эволюция и совместимость

Движимый законом Мура, Intel эволюционировал от 8086 до Core i7 Haswell. ISA гарантирует обратную совместимость, позволяя устаревшему машинному коду выполняться на современных многоядерных, гиперпоточных системах.

TERMINALbash — 80x24

> Ready. Click "Run" to execute.

QUESTION 1

Practice Problem 2.52: Convert Format A bits 0 011 000 (Sign:1, Exp:3, Frac:3) to the closest value in Format B (Sign:1, Exp:2, Frac:4). Use round-to-even.

0 01 0000

0 10 0000

0 11 1000

0 00 1111

✅ Correct!

In Format A (bias 3), 011 is exponent 0 ($2^0$), so value is 1.0. In Format B (bias 1), exponent 0 is represented by 01. 1.0 is 0 01 0000.

QUESTION 2

Which of the following assembly lines is valid for a 64-bit system?

movb %ebx, (%rax)

movq %rax, $0x123

movl %eax, (%rsp)

movw %cl, %ax

✅ Correct!

movl %eax, (%rsp) is valid; it moves a 32-bit double word into memory. Others fail due to size mismatches (ebx is 32-bit, movb is 8-bit) or trying to move into an immediate value.

QUESTION 3

If a processor requires 25 cycles for predictable branches and 45 cycles for random branches, what is the Branch Misprediction Penalty ($T_{MP}$)?

20 cycles

40 cycles

10 cycles

65 cycles

QUESTION 4

In the 'Guarded-Do' transformation of a while loop, what happens first?

The loop body executes once unconditionally.

An initial conditional branch checks if the loop should be skipped entirely.

The loop is converted into a switch statement.

The compiler uses a jump-to-middle strategy.

QUESTION 5

What is the primary function of the leaq instruction when not accessing memory?

To perform fast arithmetic like x + k*y.

To clear the condition code registers.

To move data between XMM registers.

To sign-extend a byte to a quad word.

✅ Correct!

leaq (Load Effective Address) uses address-computation hardware to perform additions and shifts without referencing memory.