Cómo ejecuta el procesador cada instrucción

El servidor de una tienda en línea atiende pedidos todo el día. Su procesador da unos tres mil millones de pasos por segundo, y todos siguen la misma rutina corta.

Lee la instrucción siguiente, averigua qué pide, hazla y pasa a la otra. Si sabes seguir esa rutina con una instrucción, puedes seguirla con cualquier programa.

El contador de programa, pc, guarda la dirección de la siguiente instrucción. En la búsqueda, el procesador lee la palabra de esa dirección, la deja en el registro de instrucción y suma 4 a pc.

En la decodificación parte la palabra en campos: qué tipo de instrucción es y qué registros usa. En la ejecución hace el trabajo y escribe el resultado. Después vuelve a buscar.

cd ~/arch

riscv64-linux-gnu-as add.s -o add.o

riscv64-linux-gnu-ld add.o -o add

qemu-riscv64 -d in_asm ./add

qemu buscó cinco palabras en la memoria y decodificó cada una. Cada línea enseña la dirección, la palabra en hexadecimal y la instrucción que salió al decodificarla.

Las direcciones suben de 4 en 4, de 0x000100b0 a 0x000100c0, porque aquí cada instrucción ocupa 4 bytes. Fíjate en que li ha desaparecido: el procesador solo ve addi a0,zero,2.

Un add son 32 bits cortados en seis campos. Los siete bits de abajo son el código de operación: 51, que significa cálculo con dos registros.

Después vienen cinco bits para rd, el registro de destino, tres bits de detalle y cinco bits para cada entrada, rs1 y rs2. El registro a0 es x10 y a1 es x11. Así que 00b50533 dice: x10 = x10 + x11.

python3 -c "print(format(0x00b50533, '032b'))"

python3 -c "print(0x00b50533 & 127, (0x00b50533 >> 7) & 31, (0x00b50533 >> 15) & 31, (0x00b50533 >> 20) & 31)"

La ejecución hace el trabajo: una suma, una carga, una comparación. Casi todas las instrucciones dejan pc donde lo puso la búsqueda, 4 bytes más allá. Un salto que se toma escribe otra dirección en pc, y eso es todo lo que es un salto.

Con -d exec, qemu escribe una línea por cada instrucción que ejecuta. El segundo número entre corchetes es el pc de RISC-V.

qemu-riscv64 -one-insn-per-tb -d exec,nochain ./add

qemu-riscv64 -one-insn-per-tb -d exec,nochain -D traza.txt ./add

wc -l traza.txt

gdb puede parar un programa nativo y ejecutarlo de instrucción en instrucción. Si lo usas a mano, espera tus órdenes. Con -batch y una lista de órdenes, las ejecuta y termina, así que un Run puede usarlo.

El Run de abajo para en main, muestra pc, ejecuta una instrucción con stepi y vuelve a mostrar pc. En un procesador Arm la dirección avanza 4. En uno x86 las instrucciones miden de 1 a 15 bytes, así que el paso varía.

gcc -O2 -o loop loop.c

gdb -batch -iex 'set debuginfod enabled off' -ex 'break main' -ex run -ex 'info registers pc' -ex stepi -ex 'info registers pc' ./loop

Escribe y construye pares.s de la lección de instrucciones, o pide la línea de printf a alguien de tu grupo. Antes de ejecutar nada, calcula cuántas instrucciones ejecuta: tres antes del bucle, tres en cada vuelta, seis vueltas y dos al final.

Después guarda su traza con -D pares.txt, cuéntala con wc -l y compara. ¿Qué direcciones salen seis veces?