一切皆为状态机

C 代码 = 状态机

• SimpleC & GDB (TUI source)

汇编代码 = 状态机

• GDB (TUI assembly)

处理器 = 状态机

• mini-rv32ima; ICS PA

数字电路 = 状态机

• Logisim

计算机系统的状态机模型

状态

• 内存、寄存器的数值

初始状态

• 由系统设计者规定 (CPU Reset)

状态迁移

• 从 PC 取指令执行

基本准确；但我们可以做一些补充

计算机系统：状态

寄存器、内存

struct CPUState {
    uint32_t regs[32], csrs[CSR_COUNT];
    uint8_t *mem;
    uint32_t mem_offset, mem_size;
};

还有外部世界的态

• 设备上的寄存器 (memory-mapped I/O 可以访问)
• Interrupt/Reset Line
• 客观存在，但计算机系统不能直接访问
  • 类比：进程只能通过 syscall 访问进程外的信息

计算机系统：初始状态

为什么老旧电脑要配一个 RESET 按钮？

x86 Family: CPU Reset

• CPU Reset (Intel® 64 and IA-32 Architectures Software Developer’s Manual, Volume 3A/3B)

说人话

Intel 的工程师已经规定好，x86 处理器复位：

• EIP = 0x0000fff0
• CR0 = 0x60000010
  • 处理器处于 16-bit 模式
• EFLAGS = 0x00000002
  • Interrupt disabled
• TFM (5,000 页+)
  • Volume 3A: ~400 页

CPU Reset: 其他体系结构

RISC-V：百花齐放，百家争鸣

• 初始 PC 无规定；寄存器除了 x0 全部 undefined
• 少数 CSR 有规定 (例如 interrupt disabled)
  • 设计原则：省电路
  • 软件能做的，硬件绝对不管

百万碎片

• ARM: 规定了 CPU Reset，但没有规定设备寄存器的映射
• 每台机器都看起来 “不太一样”
  • qemu-system-aarch64 -machine help

为什么读手册很困难？

手册只告诉你 “是什么”、不告诉你 “为什么”

• Intel 手册是写给 System Programmers 的
  • 有多年硬件编程经验，等着开发产品挣钱
  • 不是你们这种计算机科学入门小白
• 他们有的知识可能包括：
  • 上一代处理器的编程方法
  • 历史遗留 代码的工作原理

我们的选择：绕开手册

• AbstractMachine，让你直接操作状态机

计算机系统：状态迁移

执行指令

• 如果有多个处理器？
  • 可以想象成 “每次选一个处理器执行一条指令”
  • 在并发部分会回到这个问题

响应中断

• if (intr) goto vec;

输入输出

• 与 “计算机系统外” 交换数据
• 类似于程序：不使用 syscall 就等于死循环