20145211《信息安全系统设计基础》第六周学习总结——赏心乐事

20145211《信息安全系统设计基础》第六周学习总结

教材学习内容总结

Y86

Y86指令体系结构

Y86是一个指令体系结构（ISA），它是计算机系统这本书的作者YY出的指令集。目的是为了让我们更加清晰的了解ISA。
我们的目的是为了了解CPU处理指令的流程以及它的工作原理，学习它的思想，这对你以后的技术之路说不定会有一些启发。很多时候，这种启发是很重要并且难得的，非神人不能达到。
对于Y86，LZ也没有太多可介绍的，它就是一个ISA的例子，让各位通过它来了解ISA的设计。这一章的内容比较轻松，因为我们已经在第三章了解过X86的汇编指令，更多精彩内容还是要在后面再展现出来~

看的见的手

计算机是一个神秘的家伙，它的很多秘密我们都看不到，不过有了ISA的帮忙，我们就可以了解到很多计算机的秘密。比如hzy现在写博文的时候，CPU到底在干什么呢？
理论上来讲，我们在编写一个程序的时候，我们是可以知道CPU的状态的。因为在你观察程序的汇编指令时，你可以知道当程序执行到某个地方，寄存器、存储器以及条件码寄存器等等的状态是如何的。说到底，无论是寄存器，存储器还是条件码寄存器等等，都是汇编指令可以访问的处理器状态。在设计和实现一个处理器的时候，只要我们能保证机器级程序（比如汇编程序）可以正常的访问程序猿可见状态（比如寄存器、存储器），那么就不太需要非得按照ISA真正的方式来表示我们的处理器状态。
对于Y86来说，它的程序猿可见状态就是这几种：寄存器、存储器、条件码、PC、程序状态。
在Y86当中，寄存器依旧是8个，每一个寄存器可以存储一个字，也就是一个32位二进制。条件码是一个一位二进制的寄存器，保存着最近的算术或逻辑运算所造成的影响的信息。PC则是程序计数器，记录当前正在执行的指令的地址。
存储器则是一个很大的字节数组，Y86的程序可以使用虚拟地址（类似于数组的下标）来访问存储器，硬件和操作系统会将虚拟地址翻译为实际的地址。最后一个程序状态（stat），它则代表着程序的运行情况。
这些都是可见的状态，或者说机器级程序可访问的CPU状态，我们在设计和实现一个处理器的时候，就是设计一系列指令去操作这些状态。

Y86指令集

接下来我们就看看Y86的指令集，我就直接上图了，这些指令其实都是从X86的指令集YY而来。

-上面的指令相信大家都不会太陌生，我这里就不仔细的解释了，下面我们只简单的把每个指令的作用过一遍。

halt：这个指令将会终止指令的执行。
nop：这是一个占位指令，它不做任何事情，后续为了实现流水线，它有一定的作用。
xxmovl：这是一系列的数据传送指令，其中r代表寄存器，m代表存储器，i代表立即数。比如rrmovl指令，则代表将一个寄存器的值，赋给另外一个寄存器。
opl：操作指令，比如加法，减法等等。
jxx：条件跳转指令，根据后面的条件进行跳转。
cmovxx：条件传送指令，后面的xx代表的是条件。特别的是，条件传送只发生在两个寄存器之间，不会将数据传送到存储器。
call与ret：方法的调用和返回指令。一个将返回地址入栈，并跳到目标地址。一个将返回地址入PC，并跳到返回地址。
push与pop：入栈和出栈操作。

指令编码

在上图的右边，是指令所占的字节数或者说编码。一般两个寄存器占用一个字节，存储器则占用四个字节，指令的编码和功能占用一个字节。因此可以看到，比如rrmovl指令，它的字节长度是2，其中第一个字节代表了指令rrmovl，第二个字节代表了两个寄存器。
对于opl、jxx、cmovxx指令来说，都有一个fn标识，占用4个二进制位（半个字节）。这个便是指令的功能部分，这个是由于它们的指令编码一样，但功能有所不同所造成的。比如对于opl，就有加、减、与、异或等操作，那么它们的指令编码第一个字节就分别为十六进制的60、61、62、63。
对于寄存器的表示，是使用4个二进制位表示的，这是一个ID标识。所有的寄存器可以看做是一个寄存器文件，其中的ID标识就类似于它们的地址。对于一些只需要一个寄存器的指令来说，另一个寄存器标识位使用0xF表示。
还有的指令需要一个字的常数，比如irmovl指令，call指令等等。这种指令，将把常数放在最后的四个字节当中，顺序按照大端法或小端法表示（与机器和OS有关）。对于call指令来说，这四个字节就是一个地址，这个地址就是绝对地址，指向了存储器当中的某一个位置，这个位置存储着代码。采用绝对地址是为了描述简单，真实当中，是采取的基于PC的相对地址。

Y86异常

对于Y86来说，程序猿可见的状态中就有stat状态码，它标识了程序执行的状态。Y86需要有能力根据stat去做一些处理。不过为了简单起见，这里除了正常执行之外，都将停止指令的执行。真实当中，会有专门的异常处理程序。
Y86有四种不同的状态码，AOK（正常）、HLT（执行halt指令）、ADR（非法地址）和INS（非法指令）。

Y86程序

书中给出了一个示例程序，来说明X86和Y86的区别，这里LZ就不详细分析这些汇编指令了，这种事情在第三章已经做的很多了，各位猿友可以私底下自己分析一下。其实两者是非常相似的，毕竟Y86就是根据X86的结构YY出来的。区别就在于，有的时候Y86需要两条指令来达到X86一条指令就可以达成的目的。
比如对于X86指令中的 addl $4,%ecx 这样的指令，由于Y86当中的addl指令中不包含立即数，所以Y86需要先将立即数存入寄存器，即使用irmovl指令，然后再使用addl来处理加法运算。
总的来说，Y86就是一个X86的缩减版，它的目的是以简单的结构实现一个处理器，帮助我们了解处理器的设计和实现。有兴趣的猿友可以去观摩一下Y86程序生成的汇编代码，并进行逐一的分析，实际上，这与X86是十分类似的。

HCL

前期基础

计算机归根结底是在和0、1打交道，那么到底0和1是如何被计算机记住的？其是计算机通过电压来记录0和1。
逻辑门是数字电路的基本计算元素，也可以看做是物理结构与逻辑结构的映射，它们实际上是由晶体管组成的。逻辑门接受信号的输入，并根据信号产生一定的输出，而输出则是输入的布尔函数，也就是说，输出只能是0或者1。and和or都是2个输入，而not为1个输入。
举个例子，比如对于and门来说，它接受2个输入，如果2个输入都是高位电压，则输出的为高位电压，也就是输出为1。否则的话，都是输出低位电压，也就是输出为0。这些就是建立在刚才1V为1，0V为0的基础之上的。

高级设计

一个逻辑门可以计算1位，如果我们弄来32个逻辑门，不就可以计算32位了吗？组合的电路需要遵循以下两个原则。

两个逻辑门的输出不能连接到一起，否则它们可能会使线上的信号矛盾，因此可能会得到一个不合法的电压或故障。比如1个0V和1个1V接到一起，会不会出来个0.5V，又或者类似于正负极相接，直接短路了呢。
组合的电路必须是无环的。也就是说输出不能再当做输入，否则会使这个函数产生歧义。这个道理很简单，比如数学上来说，如果c=a+b。我们这里可以把c看做输出，a和b看做输入。如果a又等于c了，那么是不是b就等于0了呢？当然不是，因为a此时其实是a+b，第二轮的c又会等于a+2b，同理，第三轮的c又会等于a+3b。那么到底c=a+b还是c=a+2b还是c=a+3b？遵循以上原则，我们就可以随意组装电路了。

在书中对HCL表达式与C语言的表达式做了区分，有以下三点。

　　1. 逻辑门是持续输出的，但C语言表达式是执行到的时候才会求值。这个区别可以把逻辑门当成一个电路来看，电路是不能断电的，电流会一直存在。

　　2. C语言中输入可以是任意整数，而HCL只能是1和0。这点比较好理解。

　　3. 对于a && b这个符号来说，C语言中的规定是如果前者为假，则后者不会再计算。而HCL当中没有这种说法。

按位计算

所有的设计都是针对1位进行操作的。那么如何才能真正操作多个位呢，比如平时常用的32位或者64位。道理很简单，就是多个1位操作一起进行，例如下面这个图。
这个图当中每个位相等的判断都是上面所提到的两个not门，两个and门和一个or门组成的组合电路。它们并列的一起进行，最终再通过一个and门，就完成了判断两个32位的数字是否相等的操作。也就是表达式A == B，值得注意的是，这里的A和B都是32位的。
还有一种类似于C语言中switch语句的表达式，就是如下形式。
int Out = {
s:A;
1:B;
};
它代表的意思就是如果s为1，则输出A，否则输出B，同样，这里的A和B都是32位的。那么使用电路如何表达呢？其实就是上次的复用电路的32位版本。如下图。
可以看到，s的not值是被复用的，否则的话，这里需要32个not门。值得一提的是，HCL中条件选择表达式中的条件是不需要互斥的，只是按照优先顺序依次选取，这与C语言中的switch是不同的。
最后一种HCL表达式，是集合的形式。它表示需要拿一个输入信号与某些值做匹配。

存储器和时钟

上面我们介绍的都是组合电路，它们的作用是根据输入来产生一个值。但是刚才也说过，组合电路是一直持续输出的，因此它无法保持一个状态不变。但我们的计算机是需要存储数据的，因此就需要能保存状态的存储设备。存储设备则是由一个时钟控制，时钟就像一个开关一样，它控制着存储设备什么时候更新设备里的值。

　　- 常用的存储设备一般有两种。

　　1. 时钟寄存器：存储单个位或者单个字。时钟信号来控制寄存器是否要加载输入的值。

　　2. 随即访问存储器：存储多个字。用地址来选择该读、写哪个字。

　　时钟寄存器的典型应用是PC、条件码寄存器以及程序状态。它们都有明确的输入，这意味着它们的值其实是某几个值的一个函数，比如条件码寄存器的输入主要就是逻辑计算单元的值，因此条件码寄存器的值就可以看做是逻辑计算单元的函数。

　　时钟寄存器一般是根据时钟信号来更新状态的，而时钟信号就像一个表一样，比如每到12点，寄存器的值就更新一下。

随即访问存储器最典型的例子就是我们的寄存器文件（也就是8个程序寄存器）和随即访问存储器（也就是我们常说的内存）。它们没有明确的输入值，因此不存在函数关系。不论是寄存器文件还是随即访问存储器，都有读和写两种操作，而对于时钟寄存器来说，是无所谓读和写的，因为它只会根据输入的变化改变输出的值，是可以直接连接到电路上去的。

练习题

练习题4.1
解答：
irmovl $15,%ebx ##30f30f000000
rrmovl %ebx,%ecx ##2031
loop:
rmmovl %ecx,-3(%ebx) ##4013fdffff
addl %ebx,%ecx ##6031
jmp loop
练习题4.2
确定下列每一个字节序列所编码的Y86指令序列。如果有不合法字节，指出其位置。

A.
0x100:30f3fcffffff ##irmovl $-4,%ebx
0x106:406300080000 ##rmmovl %esi,0x800(%ebx)
0x10c:00 ##halt
B.
0x200:a06f ##pushl %esi
0x202:8008020000 ##call proc
0x207:00 ##halt
0x208:
0x208:30f30a000000 ##irmovl $10,%ebx
0x20e:90 ##ret
C.
0x300:505407000000 ##mrmovl 0x7(%esp),%ebp
0x306:10##nop
0x307:f0##非法
0x308:b01f ##popl %ecx

练习题4.5
解答：
int Sum(int Start,int Count)
{
int sum = 0;
while(Count)
{
sum+=Start;
Start++;
Count--;
}
return sum;

loop:
mrmovl (%ecx),%esi get x = *Start
irmovl $0,%edi 0
subl %esi,%edi -x
cmovg %edi,%esi if -x > 0 then x = -x
addl %esi,%eax add x to sum
irmovl $4,%ebx
addl %ebx,%ecx Start++
irmovl $-1,%ebx
addl %ebx,%edx Count--
jne loop Stop when 0

问题解决

Y86安装

安装的步骤主要参考了20145218的博客:http://www.cnblogs.com/senlinmilelu/p/5985966.html#3538763
安装bison和flex词法分析工具，在终端中输入sudo apt-get install bison flex

下载sim解压：wget http://labfile.oss.aliyuncs.com/courses/413/sim.tar
图形界面须要安装Tcl/Tk，在终端中输入sudo apt-get install tcl8.5-dev tk8.5-dev tcl8.5 tk8.5
在解压后的sim文件夹中找到makefile文件，作如下改动并保存

GUIMODE=-DHAS_GUI // 将#去掉

TKLIBS=-L/usr/lib/ -ltk8.5 -ltcl8.5 // 加上8.5

TKINC=-I /usr/include/tcl8.5 //将isystem改为大写的I，在最后加上tcl8.5

编译在sim文件夹下右键选择在终端中打开，输入make clean;make

（make clean的主要作用就是把yo的文件删除）

make all之后使用cat查看编译好的asuml.yo文件。

ubuntu耗电的问题

现在的笔记本大都使用NVIDIA的Optimus双显卡，而Ubuntu本身并不支持Optimus双显卡切换技术，所以，使用了这种双显卡技术的笔记本安装了Ubuntu之后，使用过程中，集显独显都是处于开启状态，发热量和耗电量居高不下。某些机型可以通过BIOS关闭独显，但是总免不了有需要使用独显的时候。有市场就有需求，于是bumblebee 3便出现了
bumblebee3能实现的功能：

通过自带的bbswitch组件，自动关闭独立显卡，节省电力，降低发热量。
通过bumblebee-nvidia组件，能安装nvidia官方驱动，并用optirun方式用独显运行显示需求较高的程序。
支持NVIDIA的CUDA程序加速。(我没验证过，不知道有没有效！)

配置方式超简单，直接apt-get install ，安装完重启立即生效，简单方便

步骤

打开终端，输入：

sudo add-apt-repository ppa:bumblebee/stable

然后输入：

sudo apt-get update

开始安装。

在终端输入：

sudo apt-get install bumblebee

(该命令自动安**umblebee 3)

sudo apt-get install bumblebee-nvidia

(该命令安装NVIDIA官方驱动)

安装完成，重启

装了bumblebee 3后，笔记本右侧散热风扇出风口的温度立即下降，效果立竿见影

磁盘不共享的问题

刚开始我非常方便的在linux下访问windows里的盘区的时候，有一天，他突然出现了这个error

看看报错：Please resume and shutdown Windows fully (no hibernation or fast restarting）

译：请重启电脑把windows 完全关闭（没有休眠或者快速启动）这种情况下，是没有办法设置读写权限的只能是-ro （read only只读）只能在/etc/fstab 里设置：UUID=1E7E5FE17E5FAFEF /media/222 ntfs ro,defaults,auto,nodev,nosuid,user,force 0 0
注意：只能是ro ，如果是rw启动会报错！

通过$ ls -all /dev/disk/by-uuid/ 可以查到UUID

注意：这样挂载不能对挂载盘的修改！！read only！！！

如果你的win8 没有设置快速启动或者没有什么问题的话，应该可以吧ro改为rw（读写）的

后来我了解到，windows下为了快速启动，内核采用了“休眠”的模式，启动时就是混合启动，所以速度很快，一般8秒左右；于是只要在win10下，命令行彻底关机就行了：shutdown -s -t 1

心得体会

总的来说，本章的难度并不高。先是简单的介绍了一个类X86的指令集结构，接着让我们了解了具体的设计是如何进行的，以及如何使用硬件控制语言HCL。后面的内容相对来说会比较难理解，我在读的时候也是有点一知半解，尽管现在已经基本摸清了套路。这些硬件，就是Y86处理器需要使用的。比如组合电路，存储器。到本章最后的时候，已经非常接近我们的编程领域了，可以看到有寄存器和内存的出现。但要注意的是，这里的寄存器文件并不等于寄存器，随即访问存储器也不等于内存。
就我本身来讲，读这本书的时候，最大的感受就是，每一章刚开始读的时候都非常枯燥无味，但每当读了几节以后，就有种豁然开朗的感觉，这种感觉相信你一定也非常喜欢。因为如果你慢慢的进入了这个世界，你会觉得这是一件非常有意思的事情。

本周代码托管

学习进度条

	代码行数（新增/累积）	博客量（新增/累积）	学习时间（新增/累积）	重要成长
目标	5000行	30篇	400小时
第一周	120/200	1/2	16/16	学习Linux核心命令
第二周	100/200	1/3	30/46	学习vim，gcc以及gdb的基本操作
第三周	30/230	1/4	15/61	对信息的表示和处理有更深入的理解
第四周	30/260	1/5	22/83	双系统的探索
第五周	130/390	1/6	25/108	汇编的深入学习
第六周	60/450	1/7	25/133	熟悉了Y86模拟器