计算Intel 8086的时钟周期数

Question

我已经在做Intel 8086仿真器约一个月了。我决定开始计算周期以使仿真更准确并与PIT正确同步。

每个指令所用的时钟周期在Intel的用户手册中有详细说明，但我想知道它们是如何计算的。例如，对于XCHG mem8,reg8指令，手册中明确规定需要17个时钟周期，我已经推断出以下步骤：

1. 解码指令的第二个字节：+1个周期；
2. 将第一个操作数从内存传输到临时位置：+7个周期；
3. 将第二个操作数从寄存器传输到内存目标：+8个周期；
4. 将第一个操作数从临时位置传输到寄存器目标：+1个周期。

但我可能完全错误，因为我的推理似乎并不适用于所有指令。例如，我无法理解为什么PUSH reg 指令需要11个时钟周期，而POP reg指令仅需要8个时钟周期。

所以，你能告诉我每个指令中时钟周期是如何花费的，或者说有一种通用方法来理解这些数字从哪里来吗？

谢谢。

- neat

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PUSH基本上是从寄存器到内存的MOV操作。POP是从内存到寄存器的MOV操作。从表格中可以看出，前者是9+EA，后者是8+EA。由于你可以使用0 EA进行POP（堆栈指针已经指向你将要POP的位置），因此这个过程可以立即开始，并且一旦不再需要读取周期，堆栈指针的减量就可以（我猜想）与读取周期重叠。对于PUSH操作，有2个EA，因为必须在发出MOV之前增加堆栈指针。我认为这可能是额外的时钟周期来自的地方。这只是推测，我不能确定。 - J...

@J... 这很有道理。谢谢您先生！您是否知道为什么从寄存器到内存的 MOV 操作需要 9 个时钟周期，而从内存到寄存器的 MOV 操作只需要 8 个时钟周期？以及它在每个子操作中如何分解时钟周期？ - neat

@J...我已经阅读了我的原始帖子中链接的手册。除了表格外，它并没有提供更多信息。我还阅读了这个，但是里面的解释（第107页）与我的观察或第一个手册都不一致。 - neat

你想要的书是Michael Abrash的《汇编语言禅宗》，这本书已经很久没有再版了，但仍然可以在二手市场上找到。据我回忆，你不能轻易地将这些时间分解为子操作。此外，还有一些隐藏成本，如指令预取和DMA刷新（诚然是特定于平台的），你必须考虑到这些成本。官方指令时间告诉你CPU上正在发生什么，但它们是“最佳情况”，假设支持硬件不会添加任何东西。 - Jim Mischel

@JimMischel 我找到了这本书的在线版本。非常棒的阅读材料，谢谢您先生！ - neat

Answer 1

如何计算周期，实际上 clock 的作用是什么，这些问题对我来说也是个谜，直到我有机会与硬件人员一起工作，看到他们使用的模型。答案在硬件中。 CPU 是并行机器，尽管对程序员来说，它的设计通常是用一些简化的术语来描述流水线或需要实现的microinstructions等，但 CPU 仍然是并行机器。

为了完成指令，许多微小的 bit-size 信号必须从一端流向另一端。在某些地方，处理单元必须等待所有输入的 bit 到达。这种从一个stage 到另一个stage的协调运动由发送到所有部件的clock-signal驱动。由clock-signal鼓动的每个这样的移动被称为cycle。

因此，为了知道完成工作需要多少个“cycle”，您必须考虑“wire”是如何连接的，以及“bit”必须流经哪里以及所需的同步点在哪里以及有多少个。

我怀疑Intel 8086的原理图是否公开可用，即使是可用的，我也怀疑其可读性。但唯一正确的答案就在那里。其他所有内容都只是简化，在软件中复制精确的硬件行为，您需要模拟/解释CPU的硬件。

另请参见：

• Electrical Engineering Stack Exchange: 将处理器映射到电路图
• OpenCores.org: 处理器 - 包含各种硬件描述语言中各种CPU的描述，您可以看到时钟信号的使用方式

- xmojmr

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我认为，在指令执行的方式中有一些重复的模式（不考虑“将其放入队列中”这一部分）。但我猜这对于我尝试完成的任务来说太过复杂，所以我直接实现了用户指南中的时钟周期到我的模拟器中，并且似乎工作得还不错。非常感谢！链接：https://github.com/NeatMonster/Intel8086/commit/68e2cb69bebb67e0fedf9028af6b834379220083 - neat

Answer 2

这个问题很广泛，因此我只会在这里回答 PUSH 与 POP 的问题。 PUSH 基本上是从寄存器到内存的 MOV（加上寄存器增量）。POP 是从内存到寄存器的 MOV（加上寄存器减量）。

如果您查看第2-61页，您会发现：

MOV

register, memory 8+EA 1 2-4 MOV BP, STACK_TOP

memory, register 9+EA 1 2-4 MOV COUNT [DI], CX

对于 POP 操作，您已经在一个寄存器中有了堆栈指针，因此有效地址（EA）为零。您可以立即执行 MOV 操作，我只能假设特殊的 POP 操作可以在同一时间减少堆栈指针，在读取操作的后面时钟周期中不再需要地址时。

对于 PUSH 操作，您有一个 EA 为2，因为必须在获取所需地址以执行写入之前递增堆栈指针。这里不能利用并发性，因此您需要9个周期来执行MOV，似乎还需要两个周期来计算有效地址(堆栈指针增量)。

- J...

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@AlexanderZhak，什么原因可以解释8086读写之间的差异？我的XCHG时钟周期分解方法正确吗？ - neat

@AlexanderZhak 是的，OP的问题是关于8086的，所以我回答了这个问题。至于为什么，英特尔多年来一直在改进...怀疑你需要相当深入的CPU架构信息才能回答他们到底做了什么来改变事情。新的CPU需要考虑延迟和吞吐量-我认为8086没有进行流水线处理，因此指令时间包括完整的获取、解码、读/写等序列。 - J...

@NeatMonster 听起来你有很多问题。在使用Stack Overflow时，适当的方式是思考你正在做什么，并尝试将你的问题分解为单独的问题。你应该在这里问每一个问题-一个问题，一个答案。这就是它的工作原理。这不是一个帮助论坛-继续在评论中提出越来越多的问题并不是这个网站的工作方式。 - J...

@J...我不能比“能否给我一个理解时钟周期如何计数的一般方法”更具体了。是否有另一个网站更容易接受这样的问题？ - neat

@NeatMonster 我认为这个问题没有普遍的答案 - 我认为每个指令都有自己的故事要讲述，每个指令都需要对CPU架构进行微观分析。考虑到CPU的800多页手册无法充分回答问题 - 这意味着这是一个非常深入的问题，不容易在短短几段文字中回答。一个合适的下一个问题可能是“为什么8086 MOV对于r,m需要8个周期，但对于m,r需要9个周期？”例如。它简洁明了，可回答，并可能使您更接近回答您的更大问题。 - J...