NEMU PA 1 实验报告

课程地址：

PA1-1 https://www.bilibili.com/video/BV1JE411J7AK

PA1-2 https://www.bilibili.com/video/BV1EE411J7Y6

PA1-3 https://www.bilibili.com/video/BV1fE411H7nS

Guide的仓库及其镜像地址：

​ GitHub: http://github.com/ics-nju-wl/icspa-public-guide
​ Gitee: https://gitee.com/wlicsnju/icspa-public-guide

实验框架代码及其镜像地址：

​ GitHub: http://github.com/ics-nju-wl/icspa-public
​ Gitee: https://gitee.com/wlicsnju/icspa-public

一、实验目的

通过数据的存储开始简单了解NEMU的总体结构，进而从整数和浮点数的表示、存取和运算出发，构建一台完整的计算机。

二、实验步骤

PA1-1 数据的表示和存取

首先我们了解了各种数据（无符号整数，带符号整数，定点/浮点数，非数值型数据）是怎么编码成机器数的；然后进一步了解了cpu是怎么处理数据的：

然后我们进一步了解了NEMU中这些数据的存储的地方以及这些存储地方是怎么被我们写出来的，即NEMU是如何用c语言表示内存和寄存器的：（ISA遵从i386）

通过进一步阅读代码，可以发现内存是由一个uint_8的数组来模拟的，并且给出了从顶层到底层的一系列读写接口（虚拟地址读写、线性地址读写、物理地址读写，需要后面去完成）；

了解内存后，我们继续来了解NEMU中的通用寄存器组；

在pa1-1中我们模拟了一个x86体系的通用寄存器组，这个寄存器组拥有八个32位的寄存器；由于寄存器具有兼容性，即如下图，我们通过使用struct类型和union类型来达到模拟效果：

typedef struct
{
    union
    {
        union
        {
            union
            {
                uint32_t _32;
                uint16_t _16;
                uint8_t _8[2];
            };
            uint32_t val;
        } gpr[8];
        struct
        { // do not change the order of the registers
            uint32_t eax, ecx, edx, ebx, esp, ebp, esi, edi;
        };
    };

…

} CPU_STATE;

PA1-2 整数的表示与运算

在PA1-1中我们了解了NEMU的内存和GPRs组成，在PA1-2中我们将视角放到cpu中，去了解并完成cpu中的运算部件。（需要实现的部分是算术逻辑单元，即ALU）

其中ALU要实现的功能包括各类算术运算（加减乘除）和逻辑运算（与或非）。在这个过程，我们要将需要实现的指令和i386手册比对，通过手册来找到相关指令描述以实现基本操作，同时实现五个符号位（OF CF PF SF ZF）的判断。

实现的指令有：算术运算：ADD ADC SUB SBB MUL IMUL DIV IDIV SHL SHR SAL SAR

​ 逻辑运算：AND OR XOR

对应代码在：

nemu/include/cpu/alu.h

nemu/src/cpu/alu.c

PA1-3 浮点数的表示与运算

在这一章节，我们要在NEMU中模拟浮点数的算术运算单元即FPU;

我们需要实现四个浮点数运算：加减乘除。并同时在它们的实现过程中实现对浮点数结果的规格化处理；相关函数为internal_float_xxx()。

相关代码：nemu/src/cpu/fpu.c

三、思考题

SUB为什么不能对减数取补码后，简单复用add的CF判断标准？

如果对减数取补码进行运算，如3-6的情况，运算得出的结果补码会为负数，0011 + 1010 = 0 1101，不会发生借位。所以不能简单服用add的cf判断标准。

为浮点数加法和乘法各找两个例子：1）对应输入是规格化或非规格化数，而输出产生了阶码上溢结果为正（负）无穷的情况；2）对应输入是规格化或非规格化数，而输出产生了阶码下溢结果为正（负）零的情况。是否都能找到？若找不到，说出理由。

1）加法：10E38 + 1.0

​ 乘法：3.4E38 * 100.0

2）加法：不能找到，因为对阶运算再进行规格化后，阶码为0时可以表示非规格化浮点数。

​ 乘法：非规格化下溢：（ 0 & 0x1 ） * （ 0 & 0x1 ）= 0；