ระบบคอมพิวเตอร์: มุมมองจากนักพัฒนา (ฉบับโลก): สัญญาสถาปัตยกรรมคำสั่งและสถานะทางสถาปัตยกรรม

ที่ สถาปัตยกรรมชุดคำสั่ง (ISA) มีบทบาทเป็นระดับการสร้างภาพจำลองขั้นพื้นฐาน ระดับการสร้างภาพจำลอง และเป็นข้อตกลงทางการระหว่างซอฟต์แวร์กับฮาร์ดแวร์ แม้ว่าภาษาขั้นสูงอย่างภาษาซีจะซ่อนความซับซ้อนไว้ แต่สถาปัตยกรรมชุดคำสั่ง (ISA) จะเปิดเผยให้เห็นถึง สถานะทางสถาปัตยกรรม—คือการกำหนดค่าที่แน่นอนของเรจิสเตอร์และหน่วยความจำของโปรเซสเซอร์

1. สถานะทางสถาปัตยกรรม

โปรเซสเซอร์แบบ x86-64 กำหนดสถานะของตนเองผ่านองค์ประกอบหลักหลายประการ:

โปรแกรมเคาน์เตอร์ (%rip): เก็บที่อยู่ของคำสั่งถัดไป
ไฟล์เรจิสเตอร์จำนวนเต็ม: เรจิสเตอร์ทั่วไป 16 ตัว (เช่น %rax, %rbx) เก็บค่า 64 บิต
รหัสเงื่อนไข: แฟล็ก (ZF, SF, CF, OF) สำหรับการควบคุมลำดับการทำงาน
เรจิสเตอร์เวกเตอร์: เช่น เรจิสเตอร์ YMM (256 บิต) สำหรับการดำเนินการแบบ SIMD

2. การสร้างภาพจำลองหน่วยความจำ

รหัสเครื่องมองเห็นหน่วยความจำเป็นอาร์เรย์ขนาดใหญ่ที่ ระบุโดยไบต์แม้ว่า x86-64 จะรองรับที่อยู่เสมือน 64 บิต แต่การใช้งานในปัจจุบันมักใช้พื้นที่ที่อยู่ 48 บิต ($2^{48}$ ไบต์) เราจัดประเภทขนาดข้อมูลเป็น คำ (16 บิต), คู่คำ (32 บิต) และ สี่คำ (64 บิต)

3. การพัฒนาและการเข้ากันได้

ขับเคลื่อนโดย กฎของมูร์อินเทลได้พัฒนาจากรุ่น 8086 ถึง คอร์ไอ 7 แฮสวิลสถาปัตยกรรมชุดคำสั่ง (ISA) ทำให้มั่นใจว่า การเข้ากันได้ย้อนหลังทำให้โค้ดเครื่องรุ่นเก่าสามารถทำงานบนฮาร์ดแวร์รุ่นใหม่ที่มีหลายคอร์และซับซ้อนได้

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.