PA——2.1

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##讲义中提到的问题：立即数背后的故事
Motorola 68k系列的处理器都是大端架构的, 现在问题来了, 考虑以下两种情况:

• 假设我们需要将NEMU运行在Motorola 68k的机器上(把NEMU的源代码编译成Motorola 68k的机器码)
• 假设我们需要编写一个新的模拟器NEMU-Motorola-68k, 模拟器本身运行在x86架构中, 但它模拟的是Motorola 68k程序的执行

在这两种情况下, 你需要注意些什么问题? 为什么会产生这些问题? 怎么解决它们?

###答案

• 需要注意的问题：大小端的兼容问题
• 产生这个问题的原因：大端和小端机器的字节码存放顺序（原则）是相反的
• 解决方案： 写一个专门处理大小端字节转换的函数
  ##实现新的指令
  ###在opcode_table中填写正确的译码函数，执行函数和操作数宽度

这里主要通过查阅i386手册P414页，查看指令所对应的地址以及译码函数，或者查看反汇编文件dummy-x86-nemu.txt来查看指令对应地址，主要修改两部分：

####make_group

/* 0x80, 0x81, 0x83 */
make_group(gp1,
    EMPTY, EMPTY, EMPTY, EMPTY,
    EMPTY, EXW(sub,1), EMPTY, EMPTY)

####opcode_entry opcode_table [512]

/* 0x30 */  IDEX(G2E, xor), IDEX(G2E, xor), IDEX(E2G, xor), IDEX(E2G, xor),
/* 0x34 */  IDEX(I2a, xor), IDEX(I2r, xor), EMPTY, EMPTY,
/* 0x50 */  IDEXW(r,push,4), IDEXW(r,push,4), IDEXW(r,push,4), IDEXW(r,push,4),
/* 0x54 */  IDEXW(r,push,4), IDEXW(r,push,4), IDEXW(r,push,4), IDEXW(r,push,4),
/* 0x58 */  IDEXW(r,pop,4), IDEXW(r,pop,4), IDEXW(r,pop,4), IDEXW(r,pop,4),
/* 0x5c */  IDEXW(r,pop,4), IDEXW(r,pop,4), IDEXW(r,pop,4), IDEXW(r,pop,4),
/* 0xc0 */  IDEXW(gp2_Ib2E, gp2, 1), IDEX(gp2_Ib2E, gp2), EMPTY, EX(ret),
/* 0xe8 */  IDEX(I, call), EMPTY, EMPTY, EMPTY,

###使用RTL实现正确的执行函数
首先进入rtl.h，需要实现的框架函数都已经给出，并且内部都有注释，只需要根据注释填充对应内容即可，一些读取和写入操作需要使用rtl.h内部已经定义写好的rtl函数，具体实现如下：
####将传入的形参赋给cpu结构体中的eflags成员
#define make_rtl_setget_eflags(f)
static inline void concat(rtl_set_, f) (const rtlreg_t* src) {
cpu.eflags.f = src;
}
static inline void concat(rtl_get_, f) (rtlreg_t dest) {
*dest = cpu.eflags.f;
}

利用rtl_subi和rtl_sm实现减法和寄存器写入

static inline void rtl_push(const rtlreg_t* src1) {
  // esp <- esp - 4
  // M[esp] <- src1
  rtl_subi(&cpu.esp, &cpu.esp, 4);
  rtl_sm(&cpu.esp, 4, src1);
}

####利用rtl_addi和rtl_lm实现加法和寄存器读取

static inline void rtl_pop(rtlreg_t* dest) {
  // dest <- M[esp]
  // esp <- esp + 4
  rtl_lm(dest, &cpu.esp, 4);
  rtl_addi(&cpu.esp, &cpu.esp, 4);
}

####三元表达式判断src1的值然后赋值给dest

static inline void rtl_eq0(rtlreg_t* dest, const rtlreg_t* src1) {
  // dest <- (src1 == 0 ? 1 : 0)
  *dest = *src1 == 0 ? 1 : 0;
}

// 用定义好的rtl_li读入立即数赋值给dest

static inline void rtl_msb(rtlreg_t* dest, const rtlreg_t* src1, int width) {
  // dest <- src1[width * 8 - 1]
  rtl_li(dest, src1[width * 8 - 1]);
}

####利用rtl_eq0赋值给&t1,然后用写好的定义来设置ZF位

static inline void rtl_update_ZF(const rtlreg_t* result, int width) {
  // eflags.ZF <- is_zero(result[width * 8 - 1 .. 0])
  rtl_eq0(&t1, result);
  rtl_set_ZF(&t1);
}

####利用rtl_msb赋值给&t1,然后用写好的定义来设置SF位

static inline void rtl_update_SF(const rtlreg_t* result, int width) {
  // eflags.SF <- is_sign(result[width * 8 - 1 .. 0])
  rtl_msb(&t1, result, width);
  rtl_set_SF(&t1);
}

##运行第一个C程序
按照讲义的提示首先执行：

make	ARCH=x86-nemu	ALL=dummy	run

执行完之后可以直接进入nemu，然后执行c可以看到类似讲义上的提示，相关截图如下：

###遇到的问题
####找不到头文件
报错信息如下：

/usr/include/features.h:367:25: fatal error: sys/cdefs.h: 没有那个文件或目录

分析了一下缺少的头文件路径在user/include下，说明不是pa代码缺少的问题，那只可能是系统缺少相应的c库，google找到cdefs.h所属的包为gcc-multilib，命令行安装即可：

####找不到Makefile文件
报错信息如下：

这个error很常见，一般十有八九是环境变量的问题，按照提示的error路径找到Makefile文件找到其用到的环境变量然后命令行无脑导入即可：

###完成代码
首先在nemu/src/cpu/exec/all-instr.h中定义所有的指令：

#include "cpu/exec.h"
make_EHelper(mov);
make_EHelper(operand_size);
make_EHelper(inv);
make_EHelper(nemu_trap);
make_EHelper(call);
make_EHelper(push);
make_EHelper(sub);
make_EHelper(pop);
make_EHelper(xor);
make_EHelper(ret);

在nemu/sec/cpu/exec/exec.c中实现：
####call

• 代码所在位置：nemu/sec/cpu/exec/control.c

• 实现思路：读取要压栈的eip值——>rtl_push进栈——>更新jmp_eip——>设置decoding.is_jmp为1进行跳转

  make_EHelper(call) {
  // the target address is calculated at the decode stage
  rtl_push(eip);
  rtl_addi(&decoding.jmp_eip, eip, id_dest->val);
  decoding.is_jmp = 1;
  print_asm(“call %x”, decoding.jmp_eip);
  }

####push&pop

• 代码所在位置：nemu/src/cpu/exec/data-mov.c

• 实现思路：push和pop利用rtl函数完成，使用operand_write将值写回：

  make_EHelper(push) {
  rtl_push(&t2);
  operand_write(id_dest, &t2);
  print_asm_template1(push);
  }

  make_EHelper(pop) {
  rtl_pop(&t2);
  operand_write(id_dest, &t2);
  print_asm_template1(pop);
  }
  ####sub

• 代码所在位置：nemu/src/cpu/exec/arith.c

• 实现思路：在实现sub之前根据讲义给出的结构图完成EFLAGS寄存器，编辑 nemu/include/cpu/reg.h中的CPU_state增加如下代码：

  union {
  uint32_t val;
  struct {
  uint32_t CF:1;
  unsigned : 5;
  uint32_t ZF:1;
  uint32_t SF:1;
  unsigned : 1;
  uint32_t IF:1;
  unsigned : 1;
  uint32_t OF:1;
  unsigned:20;
  };
  }eflags;

定义之后在src/monitor/monitor.c中的restart中依据I386手册要求赋初值0x00000002：

static inline void restart() {
  /* Set the initial instruction pointer. */
  cpu.eip = ENTRY_START;

  /* Set the initial EFLAGS */
  cpu.eflags.val = 0x00000002;
#ifdef DIFF_TEST
  init_qemu_reg();
#endif
}

实现sub：

make_EHelper(sub) {
  rtl_sub(&t2, &id_dest->val, &id_src->val);
  rtl_sltu(&t3, &id_dest->val, &t2);
  operand_write(id_dest, &t2);

  rtl_update_ZFSF(&t2, id_dest->width);

  rtl_sltu(&t0, &id_dest->val, &t2);
  rtl_or(&t0, &t3, &t0);
  rtl_set_CF(&t0);

  rtl_xor(&t0, &id_dest->val, &id_src->val);
  rtl_xor(&t1, &id_dest->val, &t2);
  rtl_and(&t0, &t0, &t1);
  rtl_msb(&t0, &t0, id_dest->width);
  rtl_set_OF(&t0);

  print_asm_template2(sub);
}

####xor

• 代码所在位置：nemu/src/cpu/exec/logic.c

• 实现思路： xor指令通过查询i386手册明白是对src和dest通过rtl_xor函数进行异或运算并写入操作数，用rtl_set_函数将标志位设为0：

  make_EHelper(xor) {
  rtl_xor(&t2, &id_dest->val, &id_src->val);
  operand_write(id_dest, &t2);
  rtl_set_CF(&tzero);
  rtl_set_OF(&tzero);
  print_asm_template2(xor);
  }

####ret

• 代码所在路径：nemu/src/cpu/exec/control.c

• 实现思路： 从栈顶弹出eip然后设置跳转即可

  make_EHelper(ret) {
  rtl_pop(&decoding.jmp_eip);
  decoding.is_jmp = 1;
  print_asm(“ret”);
  }

然后大概代码就完成了，但是运行时又遇到了以下错误：

意思是说static inline make_DopHelper(SI)这个函数没实现，进去代码文件按照提示实现即可：

static inline make_DopHelper(SI) {
  assert(op->width == 1 || op->width == 4);

  op->type = OP_TYPE_IMM;

  /* TODO: Use instr_fetch() to read `op->width' bytes of memory
   * pointed by `eip'. Interpret the result as a signed immediate,
   * and assign it to op->simm.
   *
   op->simm = ???
   */
  op->simm=instr_fetch(eip,op->width);

  rtl_li(&op->val, op->simm);

#ifdef DEBUG
  snprintf(op->str, OP_STR_SIZE, "$0x%x", op->simm);
#endif
}

然后就可以正确执行：

##git log截图