PowerPoint 演示文稿

Size: px

Start display at page:

Download "PowerPoint 演示文稿"

笞溢萧
5 years ago
Views:

1 计算机系统基础 Programming Assignment PA 2 程序的执行 ( 第一课 ) PA 2-1 指令解码与执行 2017 年 9 月 22 日

2 前情提要 Monitor 调试命令 CPU 寄存器堆 GPRs EFLAGS ALU FPU 主存 NEMU PA 1 Pass ======== reg test ======== reg_test() pass ======== fpu test ======== fpu_test_add() pass fpu_test_sub() pass fpu_test_mul() pass fpu_test_div() pass ======== alu test ======== alu_test_add() pass alu_test_adc() pass alu_test_sub() pass alu_test_sbb() pass alu_test_and() pass alu_test_or() pass alu_test_xor() pass alu_test_shl() pass alu_test_shr() pass alu_test_sal() pass alu_test_sar() pass alu_test_mul() pass alu_test_div() pass alu_test_imul() pass alu_test_idiv() pass 迟交将受到该阶段 10% 分数的惩罚数据的存储寄存器主存 ( 内存 ) 内存 vaddr_read/write() 接口教程上少写了 sreg 参数, 现在可以不理会该参数,PA 3 才会涉及数据的表示和运算整数 : 带符号无符号 -> 各种运算 -> 标志位寄存器带小数的实数 :IEEE 754 浮点数 -> 各种运算和规格化群公告中发布了几则针对框架代码的补丁 2017 年 9 月 22 日星期五 Programming Assignment 2

3 前情提要计算机餐厅解决计算问题的步骤程序菜谱做菜的步骤程序处理的对象数据食材做菜加工的对象执行程序的器件 CPU 大厨执行菜谱的人储存正在处理的数据 CPU 内部的寄存器灶台上的锅放置正在加工的食材储存马上要用的数据主存厨房里的冰箱储存马上用的菜谱和食材存储大量的数据硬盘仓库啥都放这里 2017 年 9 月 22 日星期五 Programming Assignment 3

4 前情提要计算机餐厅解决计算问题的步骤程序菜谱做菜的步骤程序处理的对象数据食材做菜加工的对象执行程序的器件 CPU 大厨执行菜谱的人储存正在处理的数据 CPU 内部的寄存器灶台上的锅放置正在加工的食材储存马上要用的数据主存厨房里的冰箱储存马上用的菜谱和食材存储大量的数据硬盘仓库啥都放这里 2017 年 9 月 22 日星期五 Programming Assignment 4

5 PA 2-1 指令解码与执行指令的编码方式指令序列的执行流程 NEMU 模拟指令译码和执行 ( 用于精简指令实现的宏 ) NEMU 运行测试用例备用内容 : 可选任务 PA 表达式求值 2017 年 9 月 22 日星期五 Programming Assignment 5

6 指令的编码方式 & 指令序列的执行流程 2017 年 9 月 22 日星期五 Programming Assignment 6

7 指令的编码方式菜谱中的步骤以自然语言写成将油倒入锅中加热油至七成热动作序列 1. 倒入油, 锅 2. 加热油 3. 比较油温, 七成热 4. jl 3 机器是看不懂文字的只懂 0 和 1 机器也无法理解自然语言必须规定格式编码动作操作码对象 1, 对象 2, 对象 3, 操作数 1, 操作数 2, 操作数 3, 2017 年 9 月 22 日星期五 Programming Assignment 7

8 指令的编码方式操作码 (ModR/M 中也可能包含一点 ) 各种前缀, 我们只模拟 operandsize prefix, 其值为 0x66 各种找到操作数 ( 寻址 ) 的办法 instruction address- operand- segment opcode ModR/M SIB displacement immediate prefix size prefix size prefix override OR 1 0 OR 1 0 OR 1 0 OR 1 1 OR 2 0 OR 1 0 OR 1 0,1,2 OR 4 0,1,2 OR number of bytes 最大是 4, 体现我们是 32 位机 2017 年 9 月 22 日星期五 Programming Assignment 8

9 指令的编码方式理解指令译码的过程 ( 假设此时 EIP 取初始值, 为某程序第一条指令 ) EIP 8b b 45 f4 1. 不是 0x66, 操作数 32 位,0x8b 为操作码 2. 查 i386 手册 2017 年 9 月 22 日星期五 Programming Assignment 9

10 指令的编码方式理解指令译码的过程 ( 假设此时 EIP 取初始值, 为某程序第一条指令 ) opcode 8b b 45 f4 1. 不是 0x66, 操作数 32 位,0x8b 为操作码 2. 查 i386 手册 Appendix A 0x8b 对应 MOV Gv, Ev Intel 格式, 表示把一个 Ev 类型操作数 MOV 到 Gv 类型操作数里 objdump 和 gdb 中采用的 AT&T 格式指令操作数顺序正好相反若有需要, 到 i386 手册 Chapter 17 细查 3. Ev 和 Gv 都说明后面跟 ModR/M 字节 2017 年 9 月 22 日星期五 Programming Assignment 10

11 指令的编码方式理解指令译码的过程 ( 假设此时 EIP 取初始值, 为某程序第一条指令 ) opcode modr/m 8b b 45 f4 1. 不是 0x66, 操作数 32 位,0x8b 为操作码 2. 查 i386 手册 Appendix A 0x8b 对应 MOV Gv, Ev 3. Ev 和 Gv 都说明后面跟 ModR/M 字节 0x94 = MOD REG/OPCODE R/M 2017 年 9 月 22 日星期五 Programming Assignment 11

12 指令的编码方式理解指令译码的过程 ( 假设此时 EIP 取初始值, 为某程序第一条指令 ) opcode modr/m 8b b 45 f4 1. 不是 0x66, 操作数 32 位,0x8b 为操作码 2. 查 i386 手册 Appendix A 0x8b 对应 MOV Gv, Ev 3. Ev 和 Gv 都说明后面跟 ModR/M 字节根据 Gv 和没有 0x66 前缀,010 表示 edx 0x94 = MOD REG/OPCODE R/M 2017 年 9 月 22 日星期五 Programming Assignment 12

13 指令的编码方式理解指令译码的过程 ( 假设此时 EIP 取初始值, 为某程序第一条指令 ) opcode modr/m 8b b 45 f4 1. 不是 0x66, 操作数 32 位,0x8b 为操作码 2. 查 i386 手册 Appendix A 0x8b 对应 MOV Gv, Ev 3. Ev 和 Gv 都说明后面跟 ModR/M 字节查 i386 手册表 17-3, 发现是内存地址 disp32[--][--], 还有 SIB 字节 0x94 = MOD REG/OPCODE R/M 2017 年 9 月 22 日星期五 Programming Assignment 13

14 指令的编码方式理解指令译码的过程 ( 假设此时 EIP 取初始值, 为某程序第一条指令 ) opcode modr/m 8b b 45 f4 sib 4. 根据 Mod + R/M 域决定有 SIB 字节 ( 内存地址 disp32[--][--]) 1. 不是 0x66, 操作数 32 位,0x8b 为操作码 2. 查 i386 手册 Appendix A 0x8b 对应 MOV Gv, Ev 3. Ev 和 Gv 都说明后面跟 ModR/M 字节 0x83 = SS INDEX BASE 2017 年 9 月 22 日星期五 Programming Assignment 14

15 指令的编码方式理解指令译码的过程 ( 假设此时 EIP 取初始值, 为某程序第一条指令 ) opcode modr/m 8b b 45 f4 sib 1. 不是 0x66, 操作数 32 位,0x8b 为操作码 2. 查 i386 手册 Appendix A 0x8b 对应 MOV Gv, Ev 3. Ev 和 Gv 都说明后面跟 ModR/M 字节 4. 根据 Mod + R/M 域决定有 SIB 字节 ( 内存地址 disp32[--][--]) 查 i386 手册表 17-4 内存地址 = disp32+ebx+eax*4 0x83 = SS INDEX BASE *4 eax ebx 2017 年 9 月 22 日星期五 Programming Assignment 15

16 指令的编码方式理解指令译码的过程 ( 假设此时 EIP 取初始值, 为某程序第一条指令 ) opcode modr/m disp32 8b b 45 f4 sib 5. SIB 字节后面自然还有 disp32 32 位的偏移量 ( 小端方式 ) 1. 不是 0x66, 操作数 32 位,0x8b 为操作码 2. 查 i386 手册 Appendix A 0x8b 对应 MOV Gv, Ev 3. Ev 和 Gv 都说明后面跟 ModR/M 字节 4. 根据 Mod + R/M 域决定有 SIB 字节 ( 内存地址 disp32[--][--]) 2017 年 9 月 22 日星期五 Programming Assignment 16

17 指令的编码方式理解指令译码的过程 ( 假设此时 EIP 取初始值, 为某程序第一条指令 ) opcode modr/m disp32 后续指令 8b b 45 f4 sib EIP 指向下一条指令 1. 不是 0x66, 操作数 32 位,0x8b 为操作码 2. 查 i386 手册 Appendix A 0x8b 对应 MOV Gv, Ev 3. Ev 和 Gv 都说明后面跟 ModR/M 字节 4. 根据 Mod + R/M 域决定有 SIB 字节 ( 内存地址 disp32[--][--]) 5. SIB 字节后面自然还有 disp32 32 位的偏移量 ( 小端方式 ) 6. 该指令所有需要的信息已经获得, 对应 AT&T 格式汇编 : movl 0x1100(%ebx, %eax, 4), %edx 2017 年 9 月 22 日星期五 Programming Assignment 17

指令的编码方式 X86 有多少条指令? I386 手册 Chapter 17 手册上没有的 :http://www.felixcloutier.com/x86/ 指令怎么那么多? 结构怎么这么复杂? 复杂指令集计算机 (CISC):Intel,AMD 为代表程序员选择多优化方案多可扩展性强, 向下兼容性好有没有简单点的?

18 指令的编码方式 X86 有多少条指令? I386 手册 Chapter 17 手册上没有的 : 指令怎么那么多? 结构怎么这么复杂? 复杂指令集计算机 (CISC):Intel,AMD 为代表程序员选择多优化方案多可扩展性强, 向下兼容性好有没有简单点的? 精简指令集计算机 (RISC):MIPS 为代表 CPU 实现简单, 嵌入式系统欢迎一条指令集计算机 (One Instruction Set Computers, OISC) 它们的计算能力是等价的 ( 学完数理逻辑图灵机会明白 ) 2017 年 9 月 22 日星期五 Programming Assignment 18

19 指令序列的执行流程内存 :8b b 45 f4 根据 EIP 取指令 ( 操作码 ) 取源操作数更新 EIP CPU 写目的操作数执行数据操作 mov, add, sub, 先把指令依次在内存中排好, 给 EIP 赋一个初始值, 指向第一条指令, CPU 就可以循环执行每一条指令了 2017 年 9 月 22 日星期五 Programming Assignment 19

20 NEMU 模拟指令译码和执行 2017 年 9 月 22 日星期五 Programming Assignment 20

21 NEMU 模拟指令译码和执行指令循环 : 一条接一条的执行指令怎么从 main 走到这个函数的? 我们最后讲 3. 根据指令长度更新 EIP, 指向下一条指令 void exec(uint32_t n) { while( n > 0 && nemu_state == NEMU_RUN) { instr_len = exec_inst(); 循环执行指令 cpu.eip += instr_len; n--; int exec_inst() { uint8_t opcode = 0; 执行一条指令 nemu/src/cpu/cpu.c // get the opcode, 取操作数 opcode = instr_fetch(cpu.eip, 1); 1. 取指令 // instruction decode and execution, 执行这条指令 int len = opcode_entry[opcode](cpu.eip, opcode); return len; // 返回指令长度假设此时指令已经在内存中排好了, EIP 初始化为第一条指令的地址, 谁干的? 我们最后讲 uint32_t instr_fetch(vaddr_t vaddr, size_t len) { assert(len == 1 len == 2 len == 4); return vaddr_read(vaddr, SREG_CS, len); 2. 模拟执行 2017 年 9 月 22 日星期五 Programming Assignment 21

22 NEMU 模拟指令译码和执行 opcode_entry 是一个函数指针数组其中每一个元素指向一条指令的模拟函数访问 opcode_entry[opcode] == 调用对应位置指向的函数 nemu/src/cpu/decode/opcode.c #include "cpu/instr.h" instr_func opcode_entry[256] = { nemu/include/cpu/instr_helper.h 实现某一条指令的功能 // the type of an instruction entry typedef int (*instr_func)(uint32_t eip, uint8_t opcode); 2017 年 9 月 22 日星期五 Programming Assignment 22

23 内存 : C mov_i2rm_v 是模拟 C7 指令的函数 make_instr_func(mov_i2rm_v) { OPERAND rm, imm; rm.data_size = data_size; int len = 1; len += modrm_rm(eip + 1, &rm); imm.type = OPR_IMM; imm.addr = eip + len; imm.data_size = data_size; 当前 EIP nemu/src/cpu/instr/mov.c nemu/src/cpu/cpu.c void exec(uint32_t n) { while( n > 0 && nemu_state == NEMU_RUN) { instr_len = exec_inst(); 5. 循环开启下一条指令 cpu.eip += instr_len; n--; 1. cpu.eip 指向 C7 int exec_inst() { uint8_t opcode = 0; opcode = instr_fetch(cpu.eip, 1); int len = opcode_entry[opcode](cpu.eip, opcode); return len; // 返回指令长度 2. Opcode 取出为 C7 operand_read(&imm); rm.val = imm.val; operand_write(&rm); return len + data_size / 8; #include "cpu/instr.h" instr_func opcode_entry[256] = { /* 0xc4-0xc7*/ inv, inv, mov_i2rm_b, mov_i2rm_v, 4. 返回指令长度 nemu/src/cpu/decode/opcode.c 3. 访问数组即函数调用

24 NEMU 模拟指令译码和执行所以 PA 2-1 要做的任务 : 执行 make run 或 make test invalid opcode(eip = 0x ): 83 f c There are two cases which will trigger this unexpected exception: 1. The instruction at eip = 0x is not implemented. 2. Something is implemented incorrectly. Find this eip value(0x ) in the disassembling result to distinguish which case it is. If it is the first case, see _ (_) \ / _ \ / / \/ ) (_) / /_ \ / < > _ < '_ \ \/ / _` '_ \ / _` ) (_) (_) (_ _ (_ _ / \ / \ / _ _ \,_ _ _ \,_ \,_ _ for more details. If it is the second case, remember: * The machine is always right! * Every line of untested code is always wrong! 1. 写该操作码对应的 instr_func 2. 把这个函数在 nemu/include/cpu/instr.h 中声明一下 3. 在 opcode_entry 对应该操作码的地方把这个函数的函数名填进去替代原来的 inv 4. 重复上述过程直至完成所有需要模拟的指令 2017 年 9 月 22 日星期五 Programming Assignment 24

25 NEMU 模拟指令译码和执行怎么写某操作码对应的 instr_func? // 宏展开后这一行即为 int mov_i2rm_v(uint32_t eip, uint8_t opcode) { make_instr_func(mov_i2rm_v) { OPERAND rm, imm; // OPERAND 定义在 nemu/include/cpu/operand.h // 看教程 rm.data_size = data_size; // data_size 是个全局变量, 表示操作数的比特长度 int len 这是一条把一个立即数 = 1; // opcode 长度 mov 1 字节到 R/M 中的指令, 操作数 len += modrm_rm(eip + 1, &rm); // 读 ModR/M 字节,rm 的 type 和 addr 会被填写长度为 16 或 32 位 imm.type = OPR_IMM; // 填入立即数类型 imm.addr 推荐命名规则 = eip + len; :// 找到立即数的地址 imm.data_size = data_size; 指令名 _ 源操作数类型 2 目的操作数类型 _ 长度后缀 operand_read(&imm); rm.val = imm.val; operand_write(&rm); // 执行 mov 操作 return len + data_size / 8; // opcode 长度 + ModR/M 字节扫描长度 + 立即数长度 2017 年 9 月 22 日星期五 Programming Assignment 25

26 NEMU 模拟指令译码和执行怎么写某操作码对应的 instr_func? // 宏展开后这一行即为 int mov_i2rm_v(uint32_t eip, uint8_t opcode) { make_instr_func(mov_i2rm_v) { OPERAND rm, imm; // OPERAND 定义在 nemu/include/cpu/operand.h // 看教程 rm.data_size = data_size; // data_size 是个全局变量, 表示操作数的比特长度 int len = 1; // opcode 长度 1 字节 len += modrm_rm(eip + 1, &rm); // 读 ModR/M 字节,rm 的 type 和 addr 会被填写 imm.type = OPR_IMM; // 填入立即数类型 imm.addr = eip + len; // 找到立即数的地址 imm.data_size = data_size; operand_read(&imm); rm.val = imm.val; operand_write(&rm); // 执行 mov 操作 return len + data_size / 8; // opcode 长度 + ModR/M 字节扫描长度 + 立即数长度 2017 年 9 月 22 日星期五 Programming Assignment 26

27 NEMU 模拟指令译码和执行怎么写某操作码对应的 instr_func? // 宏展开后这一行即为 int mov_i2rm_v(uint32_t eip, uint8_t opcode) { make_instr_func(mov_i2rm_v) { OPERAND rm, imm; // OPERAND 定义在 nemu/include/cpu/operand.h // 看教程 rm.data_size = data_size; // data_size 是个全局变量, 表示操作数的比特长度 nemu/include/cpu/instr_helper.h int len = 1; // opcode 长度 1 字节 len += modrm_rm(eip + 1, &rm); // 读 ModR/M 字节,rm 的 type 和 addr 会被填写 #define make_instr_func(name) int name(uint32_t eip, uint8_t opcode) imm.type = OPR_IMM; // 填入立即数类型 imm.addr = eip + len; // 找到立即数的地址 imm.data_size = data_size; operand_read(&imm); rm.val = imm.val; operand_write(&rm); // 执行 mov 操作 return len + data_size / 8; // opcode 长度 + ModR/M 字节扫描长度 + 立即数长度 2017 年 9 月 22 日星期五 Programming Assignment 27

28 NEMU 模拟指令译码和执行怎么写某操作码对应的 instr_func? // 宏展开后这一行即为 int mov_i2rm_v(uint32_t eip, uint8_t opcode) { make_instr_func(mov_i2rm_v) { OPERAND rm, imm; // OPERAND 定义在 nemu/include/cpu/operand.h // 看教程 rm.data_size = data_size; // data_size 是个全局变量, 表示操作数的比特长度 int len = 1; // opcode 长度 1 字节 len += modrm_rm(eip + 1, &rm); // 读 ModR/M 字节,rm 的 type 和 addr 会被填写 imm.type = OPR_IMM; // 填入立即数类型 imm.addr = eip + len; // 找到立即数的地址 imm.data_size = data_size; operand_read(&imm); rm.val = imm.val; operand_write(&rm); // 执行 mov 操作 return len + data_size / 8; // opcode 长度 + ModR/M 字节扫描长度 + 立即数长度 2017 年 9 月 22 日星期五 Programming Assignment 28

29 NEMU 模拟指令译码和执行怎么写某操作码对应的 instr_func? nemu/include/cpu/operand.h // 宏展开后这一行即为 int mov_i2rm_v(uint32_t eip, uint8_t opcode) { make_instr_func(mov_i2rm_v) { OPERAND rm, imm; // OPERAND 定义在 nemu/include/cpu/operand.h enum {OPR_IMM, OPR_REG, OPR_MEM, // 看教程 OPR_CREG, OPR_SREG; rm.data_size = data_size; // data_size 是个全局变量, 表示操作数的比特长度 int len = 1; // opcode 长度 1 字节 typedef struct { len += modrm_rm(eip + 1, &rm); // 读 ModR/M 字节,rm 的 type 和 addr 会被填写 int type; // addr 地址, 随 type 不同解释也不同 imm.type = OPR_IMM; // 填入立即数类型 uint32_t addr; imm.addr = eip + len; // 找到立即数的地址 uint8_t sreg; // 现在不管 imm.data_size = data_size; uint32_t val; // data_size = 8, 16, 32 operand_read(&imm); // 执行 mov 操作 size_t data_size; rm.val = imm.val; #ifdef DEBUG operand_write(&rm); MEM_ADDR mem_addr; #endif return len + data_size / 8; // opcode 长度 + ModR/M 字节扫描长度 + 立即数长度 OPERAND; 2017 年 9 月 22 日星期五 Programming Assignment 29

30 NEMU 模拟指令译码和执行怎么写某操作码对应的 instr_func? // 宏展开后这一行即为 int mov_i2rm_v(uint32_t eip, uint8_t opcode) { make_instr_func(mov_i2rm_v) { OPERAND rm, imm; // OPERAND 定义在 nemu/include/cpu/operand.h // 看教程 rm.data_size = data_size; // data_size 是个全局变量, 表示操作数的比特长度 int len = 1; // opcode 长度 1 字节 len += modrm_rm(eip + 1, &rm); // 读 ModR/M 字节,rm 的 type 和 addr 会被填写 imm.type = OPR_IMM; // 填入立即数类型 imm.addr = eip + len; // 找到立即数的地址 imm.data_size = data_size; operand_read(&imm); rm.val = imm.val; operand_write(&rm); // 执行 mov 操作 return len + data_size / 8; // opcode 长度 + ModR/M 字节扫描长度 + 立即数长度 2017 年 9 月 22 日星期五 Programming Assignment 30

31 NEMU 模拟指令译码和执行怎么写某操作码对应的 instr_func? // 宏展开后这一行即为 int mov_i2rm_v(uint32_t eip, uint8_t opcode) { make_instr_func(mov_i2rm_v) { OPERAND rm, imm; // OPERAND 定义在 nemu/include/cpu/operand.h // nemu/src/cpu/instr/data_size.c 看教程 rm.data_size = data_size; // data_size 是个全局变量, 表示操作数的比特长度 int len = 1; // uint8_t opcode data_size 长度 1 字节 = 32; len += modrm_rm(eip + 1, &rm); // 读 ModR/M 字节,rm 的 type 和 addr 会被填写 make_instr_func(data_size_16) { imm.type = OPR_IMM; // 填入立即数类型 uint8_t op_code = 0; imm.addr = eip + len; // 找到立即数的地址 int len = 0; imm.data_size = data_size; data_size = 16; op_code = instr_fetch(eip + 1, 1); operand_read(&imm); // 执行 mov len 操作 = opcode_entry[op_code](eip + 1, op_code); rm.val = imm.val; data_size = 32; operand_write(&rm); return 1 + len; return len + data_size / 8; // opcode 长度 + ModR/M 字节扫描长度 + 立即数长度 2017 年 9 月 22 日星期五 Programming Assignment 31

32 NEMU 模拟指令译码和执行怎么写某操作码对应的 instr_func? // 宏展开后这一行即为 int mov_i2rm_v(uint32_t eip, uint8_t opcode) { make_instr_func(mov_i2rm_v) { OPERAND rm, imm; // OPERAND 定义在 nemu/include/cpu/operand.h // 看教程 rm.data_size = data_size; // data_size 是个全局变量, 表示操作数的比特长度 int len = 1; // opcode 长度 1 字节 len += modrm_rm(eip + 1, &rm); // 读 ModR/M 字节,rm 的 type 和 addr 会被填写 imm.type = OPR_IMM; // 填入立即数类型 imm.addr = eip + len; // 找到立即数的地址 imm.data_size = data_size; operand_read(&imm); rm.val = imm.val; operand_write(&rm); // 执行 mov 操作 return len + data_size / 8; // opcode 长度 + ModR/M 字节扫描长度 + 立即数长度 2017 年 9 月 22 日星期五 Programming Assignment 32

33 NEMU 模拟指令译码和执行怎么写某操作码对应的 instr_func? // 宏展开后这一行即为 int mov_i2rm_v(uint32_t eip, uint8_t opcode) { make_instr_func(mov_i2rm_v) { OPERAND rm, imm; // OPERAND 定义在 nemu/include/cpu/operand.h // 看教程 rm.data_size = data_size; // data_size 是个全局变量, 表示操作数的比特长度 int len = 1; // opcode 长度 1 字节 len += modrm_rm(eip + 1, &rm); // 读 ModR/M 字节,rm 的 type 和 addr 会被填写 nemu/src/cpu/decode/modrm.c imm.type = OPR_IMM; // 填入立即数类型 imm.addr = eip + len; // 找到立即数的地址 imm.data_size = data_size; int modrm_rm(uint32_t eip, OPERAND * rm) ; operand_read(&imm); rm.val = imm.val; operand_write(&rm); // 执行就是查表过程变成代码 mov 操作会将传入的 rm 的 type 和 addr( 包括 sreg) 填好 return len + data_size / 8; // opcode 长度 + ModR/M 字节扫描长度 + 立即数长度 2017 年 9 月 22 日星期五 Programming Assignment 33

34 NEMU 模拟指令译码和执行怎么写某操作码对应的 instr_func? // 宏展开后这一行即为 int mov_i2rm_v(uint32_t eip, uint8_t opcode) { make_instr_func(mov_i2rm_v) { OPERAND rm, imm; // OPERAND 定义在 nemu/include/cpu/operand.h // 看教程 rm.data_size = data_size; // data_size 是个全局变量, 表示操作数的比特长度 int len = 1; // opcode 长度 1 字节 len += modrm_rm(eip + 1, &rm); // 读 ModR/M 字节,rm 的 type 和 addr 会被填写 imm.type = OPR_IMM; // 填入立即数类型 imm.addr = eip + len; // 找到立即数的地址 imm.data_size = data_size; operand_read(&imm); rm.val = imm.val; operand_write(&rm); // 执行 mov 操作 return len + data_size / 8; // opcode 长度 + ModR/M 字节扫描长度 + 立即数长度 2017 年 9 月 22 日星期五 Programming Assignment 34

35 NEMU 模拟指令译码和执行怎么写某操作码对应的 instr_func? // 宏展开后这一行即为 switch(opr->type) int mov_i2rm_v(uint32_t { eip, uint8_t opcode) { case OPR_MEM: make_instr_func(mov_i2rm_v) { case OPR_IMM: OPERAND rm, imm; // OPERAND opr->val 定义在 = vaddr_read(opr->addr, nemu/include/cpu/operand.h SREG_CS, 4); // 看教程 break; rm.data_size = data_size; case // data_size OPR_REG: 是个全局变量, 表示操作数的比特长度 if(opr->data_size == 8) { int len = 1; // opcode 长度 1 字节 len += modrm_rm(eip + 1, &rm); // 读 ModR/M 字节,rm 的 type 和 addr 会被填写 nemu/src/cpu/decode/operand.c void operand_read(operand * opr) { imm.type = OPR_IMM; // 填入立即数类型 break; imm.addr = eip + len; case // OPR_CREG: 找到立即数的地址 imm.data_size = data_size; case OPR_SREG: operand_read(&imm); rm.val = imm.val; operand_write(&rm); return len + data_size / 8; // deal with data size switch(opr->data_size) { else { // 执行 mov 操作 opr->val = cpu.gpr[opr->addr % 4]._8[opr->addr / 4]; opr->val = cpu.gpr[opr->addr]._32; case 8: opr->val = opr->val & 0xff; break; case 16: opr->val = opr->val & 0xffff; break; case 32: break; default: // opcode 长度 + ModR/M 字节扫描长度 + 立即数长度 2017 年 9 月 22 日星期五 Programming Assignment 35

36 NEMU 模拟指令译码和执行怎么写某操作码对应的 instr_func? // 宏展开后这一行即为 int mov_i2rm_v(uint32_t eip, uint8_t opcode) { make_instr_func(mov_i2rm_v) { OPERAND rm, imm; // OPERAND 定义在 nemu/include/cpu/operand.h // 看教程 rm.data_size = data_size; // data_size 是个全局变量, 表示操作数的比特长度 int len = 1; // opcode 长度 1 字节 len += modrm_rm(eip + 1, &rm); // 读 ModR/M 字节,rm 的 type 和 addr 会被填写 imm.type = OPR_IMM; // 填入立即数类型 imm.addr = eip + len; // 找到立即数的地址 imm.data_size = data_size; operand_read(&imm); rm.val = imm.val; operand_write(&rm); // 执行 mov 操作执行 mov 操作并且写目的操作数 return len + data_size / 8; // opcode 长度 + ModR/M 字节扫描长度 + 立即数长度 2017 年 9 月 22 日星期五 Programming Assignment 36

37 NEMU 模拟指令译码和执行怎么写某操作码对应的 instr_func? // 宏展开后这一行即为 int mov_i2rm_v(uint32_t eip, uint8_t opcode) { make_instr_func(mov_i2rm_v) { OPERAND rm, imm; // OPERAND 定义在 nemu/include/cpu/operand.h // 看教程 rm.data_size = data_size; // data_size 是个全局变量, 表示操作数的比特长度 int len = 1; // opcode 长度 1 字节 len += modrm_rm(eip + 1, &rm); // 读 ModR/M 字节,rm 的 type 和 addr 会被填写 imm.type = OPR_IMM; // 填入立即数类型 imm.addr = eip + len; // 找到立即数的地址 imm.data_size = data_size; operand_read(&imm); rm.val = imm.val; operand_write(&rm); // 执行 mov 操作返回指令长度 return len + data_size / 8; // opcode 长度 + ModR/M 字节扫描长度 + 立即数长度 2017 年 9 月 22 日星期五 Programming Assignment 37

38 NEMU 模拟指令译码和执行查表得知 mov_i2rm_v 其实是对应操作码为 0xC7 的指令在实现完 mov_i2rm_v 的函数体之后 1. 把 mov_i2rm_v 在 nemu/include/cpu/instr.h ( 或者自己创建一个 mov.h) 中声明一下 ( 或者在 instr.h 中 include mov.h) 2. 把 mov_i2rm_v 填入 opcode_entry[0xc7] 这个位置, 替换原来的 inv 2017 年 9 月 22 日星期五 Programming Assignment 38

39 NEMU 模拟指令译码和执行针对这个框架有一些要特别注意的地方 void exec(uint32_t n) { while( n > 0 && nemu_state == NEMU_RUN) { nemu/src/cpu/cpu.c instr_len = exec_inst(); cpu.eip += instr_len; n--; 这一步非常机械, 对于某些指令, 如特殊的 jmp ret 中涉及到跳转到某一个绝对的地址 ( 而非相对下一条指令起始地址的偏移量 ) 时, 要在实现时灵活指定指令长度为 0, 来规避 cpu.eip += instr_len 2017 年 9 月 22 日星期五 Programming Assignment 39

40 NEMU 模拟指令译码和执行精简指令实现的宏大量指令操作相同, 只是操作数的类型和长度不同 2017 年 9 月 22 日星期五 Programming Assignment 40

41 NEMU 模拟指令译码和执行精简指令实现的宏采用前面所示的方法自然能够写出所有指令的实现但会涉及到大量重复的代码于是不断使用 CP( 复制 - 粘贴 ) 大法来进行编码但是代码复制是很糟糕的! alu_test.c bad example! 你猜我是怎么写错的? 2017 年 9 月 22 日星期五 Programming Assignment 41

42 NEMU 模拟指令译码和执行精简指令实现的宏 : 许多指令的实现流程固定 1. 声明操作数 OPERAND 2. 设置操作数长度 data_size 3. 根据操作数类型进行解码 decode 4. 进行数据操作 ( 能否同类指令共享, 不同指令区分定制?) 5. 返回指令长度 2017 年 9 月 22 日星期五 Programming Assignment 42

43 NEMU 模拟指令译码和执行于是在 nemu/include/cpu/instr_helper.h 中我们给出了用于精简指令实现的宏 #define make_instr_impl_1op(inst_name, src_type, suffix) #define make_instr_impl_1op_cc(inst_name, src_type, suffix, cc) #define make_instr_impl_2op(inst_name, src_type, dest_type, suffix) #define make_instr_impl_2op_cc(inst_name, src_type, dest_type, suffix, cc) 还有 decode_data_size 系列 decode_operand 系列 condition 系列宏在预处理阶段被 gcc 处理, 本质就是字符串替换, 拿右边的替换左边的, 换行必须打上 \ 2017 年 9 月 22 日星期五 Programming Assignment 43

44 NEMU 模拟指令译码和执行于是在 nemu/include/cpu/instr_helper.h 中我们给出了用于精简指令实现的宏 : 举个例子指令名称源操作数类型长度后缀目的操作数类型 #define make_instr_impl_2op(inst_name, src_type, dest_type, suffix) \ make_instr_func(concat7(inst_name, _, src_type, 2, dest_type, _, suffix)) {\ // 拼接得到 mov_i2rm_v int len = 1; \ //opcode 占一字节 concat(decode_data_size_, suffix) \ concat3(decode_operand, _, concat3(src_type, 2, dest_type)) \ print_asm_2( ); \ // 打印调试信息 instr_execute_2op(); \ return len; \ make_instr_impl_2op(mov, i, rm, v) 2017 年 9 月 22 日星期五 Programming Assignment 44

45 NEMU 模拟指令译码和执行于是在 nemu/include/cpu/instr_helper.h 中我们给出了用于精简指令实现的宏 : 举个例子指令名称源操作数类型长度后缀目的操作数类型 #define make_instr_impl_2op(inst_name, src_type, dest_type, suffix) \ make_instr_func(concat7(inst_name, _, src_type, 2, dest_type, _, suffix)) {\ // 拼接得到 mov_i2rm_v int len = 1; \ //opcode 占一字节 concat(decode_data_size_, suffix) \ concat3(decode_operand, _, concat3(src_type, 2, dest_type)) \ print_asm_2( ); \ // 打印调试信息 instr_execute_2op(); \ return len; \ #define decode_data_size_v opr_src.data_size = opr_dest.data_size = data_size; 两个全局 OPERAND 类型的变量, 免去创建局部变量的开销 make_instr_impl_2op(mov, i, rm, v) 2017 年 9 月 22 日星期五 Programming Assignment 45

46 NEMU 模拟指令译码和执行于是在 nemu/include/cpu/instr_helper.h 中我们给出了用于精简指令实现的宏 : 举个例子 #define make_instr_impl_2op(inst_name, src_type, dest_type, suffix) \ make_instr_func(concat7(inst_name, _, src_type, 2, dest_type, _, suffix)) {\ // 拼接得到 mov_i2rm_v int len = 1; \ //opcode 占一字节 concat(decode_data_size_, suffix) \ concat3(decode_operand, _, concat3(src_type, 2, dest_type)) \ print_asm_2( ); \ // 打印调试信息指令名称源操作数类型 instr_execute_2op(); \ return len; \ 解码两个操作数并增加 len 长度后缀目的操作数类型 #define decode_operand_i2rm \ len += modrm_rm(eip + 1, &opr_dest); \ opr_src.type = OPR_IMM; \ opr_src.sreg = SREG_CS; \ opr_src.addr = eip + len; \ len += opr_src.data_size / 8; make_instr_impl_2op(mov, i, rm, v) 2017 年 9 月 22 日星期五 Programming Assignment 46

47 NEMU 模拟指令译码和执行于是在 nemu/include/cpu/instr_helper.h 中我们给出了用于精简指令实现的宏 : 举个例子 #define make_instr_impl_2op(inst_name, src_type, dest_type, suffix) \ make_instr_func(concat7(inst_name, _, src_type, 2, dest_type, _, suffix)) {\ // 拼接得到 mov_i2rm_v int len = 1; \ //opcode 占一字节 concat(decode_data_size_, suffix) \ concat3(decode_operand, _, concat3(src_type, 2, dest_type)) \ print_asm_2( ); \ // 打印调试信息 instr_execute_2op(); \ return len; \ 指令名称源操作数类型目的操作数类型执行函数写在 mov.c 中, 根据指令的具体操作来实现,static 不可少! 长度后缀 static void instr_execute_2op() { operand_read(&opr_src); opr_dest.val = opr_src.val; operand_write(&opr_dest); make_instr_impl_2op(mov, i, rm, v) 2017 年 9 月 22 日星期五 Programming Assignment 47

48 NEMU 模拟指令译码和执行于是在 nemu/include/cpu/instr_helper.h 中我们给出了用于精简指令实现的宏 : 举个例子 static void instr_execute_2op() { operand_read(&opr_src); opr_dest.val = opr_src.val; operand_write(&opr_dest); nemu/src/cpu/instr/mov.c make_instr_impl_2op(mov, r, rm, b) make_instr_impl_2op(mov, r, rm, v) make_instr_impl_2op(mov, rm, r, b) make_instr_impl_2op(mov, rm, r, v) make_instr_impl_2op(mov, i, rm, b) make_instr_impl_2op(mov, i, rm, v) make_instr_impl_2op(mov, i, r, b) make_instr_impl_2op(mov, i, r, v) make_instr_impl_2op(mov, a, o, b) make_instr_impl_2op(mov, a, o, v) make_instr_impl_2op(mov, o, a, b) make_instr_impl_2op(mov, o, a, v) 2017 年 9 月 22 日星期五 Programming Assignment 48

49 NEMU 模拟指令译码和执行于是在 nemu/include/cpu/instr_helper.h 中我们给出了用于精简指令实现的宏, 一些实用信息 ( 详细用法参阅教程, 比较详尽 ) #define make_instr_impl_2op(inst_name, src_type, dest_type, suffix) inst_name 就是指令的名称 :mov,add,sub, src_type 和 dest_type 是源和目的操作数类型, 与 decode_operand 系列宏一致 : rm 寄存器或内存地址对应手册 E 类型 r 寄存器地址对应手册 G 类型 i 立即数对应手册 I 类型 m 内存地址差不多对应手册 M 类型 a 根据操作数长度对应 al, ax, eax 手册里没有 c 根据操作数长度对应 cl, cx, ecx 手册里没有 o 偏移量差不多对用手册里的 O 类型 suffix 是操作数长度后缀, 与 decode_data_size 系列宏一致 : b, w, l, v 8,16,32,16/32 位 bv 源操作数为 8 位, 目的操作数为 16/32 位, 特殊指令用到 short, near jmp 指令用到, 分别指代 8 位和 32 位你可以根据实际需要添加其他的宏或改写已有的宏 2017 年 9 月 22 日星期五 Programming Assignment 49

50 NEMU 模拟指令译码和执行指令循环 : 一条接一条的执行指令怎么从 main 走到这个函数的? 我们最后讲 void exec(uint32_t n) { while( n > 0 && nemu_state == NEMU_RUN) { 循环执行指令 instr_len = exec_inst(); cpu.eip += instr_len; n--; 执行一条指令假设此时指令已经在内存中排好了, EIP 初始化为第一条指令的地址, 谁干的? 我们最后讲 nemu/src/cpu/cpu.c 回答最后的问题 int exec_inst() { uint8_t opcode = 0; // get the opcode, 取操作数 opcode = instr_fetch(cpu.eip, 1); // instruction decode and execution, 执行这条指令 int len = opcode_entry[opcode](cpu.eip, opcode); return len; // 返回指令长度 2017 年 9 月 22 日星期五 Programming Assignment 50

51 NEMU 运行测试用例 2017 年 9 月 22 日星期五 Programming Assignment 51

52 NEMU 运行测试用例从 make run 说起目标 Makefile nemu: $(call git_commit, "nemu") cd nemu && make run: nemu do_not_call_me_testcase $(call git_commit, "run")./nemu/nemu -run mov Makefile 中的第一个目标, 当命令不带目标 ( 就单纯 make) 时, 默认执行的目标前提依赖 ( 应先于该目标达成的目标 ) 在前提依赖被满足的情况下, 实现目标的额外步骤 2017 年 9 月 22 日星期五 Programming Assignment 52

53 NEMU 运行测试用例从 make run 说起目标 Makefile nemu: $(call git_commit, "nemu") cd nemu && make run: nemu do_not_call_me_testcase $(call git_commit, "run")./nemu/nemu -run mov 前提依赖 ( 编译 nemu 和 testcase) 1. 打上 git 记录 2. 执行./nemu/nemu -run mov 其中 mov 是测试用例的名称, 对应 testcase/src/ 里面测试用例源文件的文件名 2017 年 9 月 22 日星期五 Programming Assignment 53

54 NEMU 运行测试用例从 make run 说起执行./nemu/nemu -run mov nemu/src/main.c int main(int argc, char* argv[]) { if(argc == 1) { reg_test(); alu_test(); fpu_test(); return 0; /* Read the arguments */ if(argc == 3) { if(strcmp(argv[1], "-run")) { printf("error: %s %s %s\n", argv[0], argv[1], argv[2]); printf("usage: nemu -run <testcase>\n"); return 0; 内存镜像路径 elf 文件路径 ( 现在不管 ) strcpy(image_path, "./testcase/bin/"); strcat(image_path, argv[2]); strcat(image_path, ".img"); strcpy(elf_path, "./testcase/bin/"); strcat(elf_path, argv[2]); single_run(); 2017 年 9 月 22 日星期五 Programming Assignment 54

55 NEMU 运行测试用例从 make run 说起执行./nemu/nemu -run mov nemu/src/main.c static void single_run() { restart(init_eip); load_image(image_path, LOAD_OFF); load_image(elf_path, 0); ui_mainloop(autorun); 2017 年 9 月 22 日星期五 Programming Assignment 55

56 NEMU 运行测试用例从 make run 说起执行./nemu/nemu -run mov cpu.c single_run() -> restart() -> init_cpu() { cpu.eip = init_eip; // 0x30000 和 testcase/makefile 中 -Ttext=0x30000 配合 // 同时和 load_image(image_path, LOAD_OFF) 的位置配合 cpu.esp = (128 << 20) - 16; Initial EIP 指向第一条指令栈从尾部开始向前长 Physical Address v 0x0 0x30000 EIP 初始值与 load_image 位置保持一致 0x Testcase ELF File ~ Testcase Binary ~ < ---- RAM Disk ----> < Physical Memory > 带有 RAM Disk 时的内存划分方式 single_run() -> load_image () { fread( ); main.c PA 2-1 只看绿线 PA 2-2 看蓝线 2017 年 9 月 22 日星期五 Programming Assignment 56

57 NEMU 运行测试用例从 make run 说起执行./nemu/nemu -run mov nemu/src/main.c static void single_run() { restart(init_eip); load_image(image_path, LOAD_OFF); load_image(elf_path, 0); ui_mainloop(autorun); 2017 年 9 月 22 日星期五 Programming Assignment 57

58 NEMU 运行测试用例从 make run 说起执行./nemu/nemu -run mov 进入 ui_mainloop(),autorun 为 false 进入字符交互界面, 为 true 则不进入交互界面, 自动开始运行 (make test 就这么实现 ) main() { single_run(); main.c single_run() { // restart() 初始化 EIP // load_image() 绿的那个把指令在内从中排好 ui_mainloop(); void ui_mainloop(bool autorun) { c 命令 while(true) { 通过 readline 拿到用户命令查 cmd_table 看是什么命令调用命令对应的 handler nemu/src/monitor/ui.c cmd_handler(cmd_c) { // execute the program exec(-1); // 进入 cpu.c return 0; 其他丰富的调试命令参见教程或阅读源代码,EXPR 要用起来参见教程可选任务 PA 年 9 月 22 日星期五 Programming Assignment 58

59 实验目标大佬! PA 2-1 提交截止时间 2017 年 10 月 19 日 24 时一个月的时间有时间可以 ( 应该 ) 先做 PA 年 9 月 22 日星期五 Programming Assignment 59

60 PA 2-1 到此结束祝大家学习快乐, 身心健康! 欢迎大家踊跃参加问卷调查 ( 量表一二三到 PA 2 截止时做一次, 如果 PA 2-1 截止的时候也能做一次最好 )

CC213

CC213 : (Ken-Yi Lee), E-mail: feis.tw@gmail.com 49 [P.51] C/C++ [P.52] [P.53] [P.55] (int) [P.57] (float/double) [P.58] printf scanf [P.59] [P.61] ( / ) [P.62] (char) [P.65] : +-*/% [P.67] : = [P.68] : ,