计算机系统导论 · 第十讲：SEQ 顺序实现
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第四章 Lesson10
SEQ:Sequential Implementation
笔记整理自 2026 年 10 月 19 日课程 本节课讨论：具体语义是如何和机器实现结合在一起的？
硬件电路中的存储体现状态：如何保存？
1. 如何实现状态的保存？
什么是状态？
图灵机为例，是哪支笔吗？否，是纸带上信息。
相当于所有reg， 状态寄存器csr, memory构成了一个集合，经过一个函数之后仍然是这三元集合。
两条指令之间需要加一个东西来阻挡，使得状态之间的切换有明确界限。 在软件实现的时候，天然的函数就是边界，但是在硬件的实现的话，需要明确这个边界。
有了这个clock才能实现状态的保存。
2. HCL 与 SEQ 的六个阶段
来源：ICS10，2026 年 10 月 19 日，51 页。 HCL 描述组合逻辑：bool 表示布尔值，int 表示字级值。选择表达式自上而下取第一个条件为真的分支，表示多路选择器。
SEQ 在一个周期中完成一条指令：取指 F、译码 D、执行 E、访存 M、写回 W、更新 PC。阶段是同一条组合数据通路中的逻辑划分。
| 阶段 | 主要信号和运算 |
| F | 取 icode/ifun、可选寄存器字节、立即数 valC；求下一条顺序地址 valP |
| D | 选 srcA/srcB，读取 valA/valB，确定 dstE/dstM |
| E | ALU 求 valE；计算条件 Cnd；OPq 更新条件码 |
| M | 选择访存地址和写入数据；读结果为 valM |
| W | 向 dstE 写 valE，向 dstM 写 valM |
| PC | 在 valP、valC、valM 之间选择 |
指令长度为 ： 表示是否有寄存器字节， 表示是否有常数字段。jXX/call 为 9 字节，irmovq/rmmovq/mrmovq 为 10 字节。
3. 各类指令的数据通路
3.1. 算术、传送与有效地址
OPq rA,rB：valA=R[rA]，valB=R[rB]，valE=valB OP valA，写回 rB。减法计算 rB-rA。
irmovq：valE=0+valC；rrmovq：valE=0+valA。cmovXX 条件不成立时把 dstE 设为 RNONE=0xF，从而取消写回。
rmmovq rA,D(rB)：valE=R[rB]+D，将 R[rA] 写到 M8[valE]。 mrmovq D(rB),rA：以相同方式求地址，读出 valM，通过 M 写端口写入 rA。
3.2. 栈与调用
| 指令 | valE | 内存动作 | PC 与写回 |
pushq rA | R[rsp]-8 | M8[valE]=valA | rsp=valE; PC=valP |
popq rA | R[rsp]+8 | valM=M8[valA] | rsp=valE; rA=valM |
call Dest | R[rsp]-8 | M8[valE]=valP | rsp=valE; PC=valC |
ret | R[rsp]+8 | valM=M8[valA] | rsp=valE; PC=valM |
popq/ret 从旧栈顶读内存，pushq/call 向新栈顶写内存。popq %rsp 的两个写目的地相同，内存读出的值取得最终优先级。
4. 控制逻辑的选择依据
srcA：寄存器传送、存储、运算、压栈取 rA；弹栈和返回取 %rsp。 srcB：运算与内存寻址取 rB；栈操作、调用和返回取 %rsp。 dstM 只在装载与弹栈时取 rA。
ALU 的 A 输入分别选 valA、valC、-8 或 8；B 输入选 valB 或 0。只有 OPq 使用 ifun 指定的运算，其余需要 ALU 的指令做加法。
访存地址：装载、存储、压栈、调用选 valE；弹栈、返回选 valA。存储数据：call 选 valP，其他写内存指令选 valA。
PC 选择优先按指令语义表达：call 取 valC；成功跳转取 valC；ret 取 valM；其余取 valP。
状态码按课件顺序：地址错误 ADR、非法指令 INS、停机 HLT、正常 AOK。
5. 时钟与关键路径
周期内组合电路依次传播，时钟边沿更新 PC、寄存器、条件码与存储状态。单周期必须足够长，使取指、读寄存器、ALU、数据存储器等最长路径完成。
SEQ 的 CPI 为 1，但时钟周期长，且各功能单元只在周期的一部分时间工作。流水线通过在阶段间加入寄存器，让不同指令同时使用不同阶段。
6. 手工跟踪
若 %rsp=0x100，执行 call 0x200，当前 PC 为 0x20：valP=0x29，valE=0xf8，M8[0xf8]=0x29，新 %rsp=0xf8，新 PC 为 0x200。随后 ret 读取 0x29，恢复 %rsp=0x100 并返回 0x29。