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PA-1实验报告

211275022田昊东

PA1-1

目标

  • 实现内存的模拟
  • 实现寄存器的模拟

ppt后题目

  • struct
  • 是一种自定义数据类型，由若干成员组成
  • 可以用于存储一组数据类不同或相同的变量
  • 不同数据成员之间相互独立，存储在一段连续的内存空间的不同位置
  • union
  • 一个union内可以包含多个不同的成员变量，不同成员变量共享同一块内存。

  • union占用空间的大小等于成员变量中占用空间最大的成员的大小。

  • union与struct的区别：

  • struct中的成员是按顺序依次排列，互相独立，其内存是其成员占用内存的加和（由于内存对齐机制可能会更大）。而union中的成员共用同一块内存，union类型占用的内存就是其成员中占用内存的最大值，union中的成员是对同一地址的的不同表现方式。

  • 改变union中一个成员的值可能会改变其他成员的值，而struct中不同成员之间是相互独立的

  • 寄存器结构体的参考实现为什么把部分struct改成了union？

  • image-20230316144702242

  • 如图所示，除了直接访问%eax（全部的32位），还要能够访问%ax（前16位）、%al以及%ah。通过第一层union实现这一点：uint32_t、uint64_t、和uint8_t[2]共用一块内存，实现分区访问
  • 第二层union使得第一层union和一个uint32_t的变量val公用bb一块内存，提供通过val直接访问一整行的数据
  • 第三层union将细分的结构（第二层union）的数组与八个带有寄存器名称的uint32_t变量组合再一起，使得可以通过名称来访问对应的区域。

小结

  • 这一部分需要实际操作的内容很少，但需要理解union的含义，在pa很多代码中都使用了union这种数据结构（比如 CPU_STATE以及FLOAT），这种数据结构实现了对统一数据的不同访问方式。在不占用额外空间的前提下，极大的方便了数据的访问。
  • 在 CPU_STATE，可以根据具体寄存器不同，实现对寄存器一行内不同片段的访问（比如访问EAX前8位AL，前16位AX）
  • 在FLOAT中既可以通过fval直接获取浮点数的真值，也可以分别获取浮点数的符号位、阶码、尾数。

PA1-2

目标

  • 了解无符号整数和带符号整数的机器级表示
  • 实现NEMU对ALU的模拟

问题和解决

  • 首先为了简化代码自定义了一些函数

  • mysign用于提取符号位

  • c uint32_t mysign(uint32_t x, size_t data_size) { return (x>>(data_size-1))&1; }

  • set0用于将多余的高位置零

  • c uint32_t set0(uint32_t x, size_t data_size) { return x & (0xFFFFFFFF>>(32-data_size)); }

  • getcom获取相反数的补码（包括符号位在内各位取反末尾加一）

  • c uint32_t getcom(uint32_t x, size_t data_size)//求-x补码 { x=~x; return set0(x+1,data_size); }

  • alu_add

  • alu_add的实现不难，主要是要注意对标志位的处理（比较容易出错的是CF和OF）

    • CF进位：针对无符号数，通过result<src判断
    • OF溢出：针对有符号数，如果两个同号数相加结果为异号则显然说明发生了溢出

  • alu_adc

  • 相当于进行了两次加法，主要需要注意对两次加法得到的标志位的处理

    • 两次中至少发生了一次进位就将CF置1
    • 两次中发生了恰好一次溢出就将OF置1(溢出两次相当于运算数和结果同好，即没有发生溢出)

  • alu_sub

  • 通过getcom把src的补码转化为-src的补码，再转化为加法进行计算

  • alu_mul

  • 如果高位不全是0，则将CF和OF都置一

  • alu_sar

  • 注意要先提取出符号位，右移过程中高位要补符号位

  • alu_idiv

  • 这个修改了比较久实现的比较复杂：提取sec和dest的符号位，如果是负数则用getcom转化为正数的补码，然后直接相除，最后得到的也是正数。根据两个操作数的正负情况决定是否进行一次getcom翻转为负数。

小结

  • 本部分的实现有一定的难度，需要对编码类型、数据计算原理，操作指令含义，标志位含义有充分的理解，稍有偏差就会产生错误。

PA1-3

目标

  • 实现浮点数规格化
  • 实现浮点数加减乘除运算

问题和解决

  • 规格化浮点数
  • 实验指南中多次提到:”为了配合非规格化数的阶码为0表示2-126需要额外将尾数右移一次“。这段化我开始没有完全理解，时间上也有错误，经过调试才明白真正的含义：尾数左移一位x相当于乘以2，exp相应减一相当于浮点数大小保持恒定。而exp从1到0时浮点数的阶数都是2-126没有发生变化，也就相当于浮点数的值变为原来的二倍，因此要再额外右移一次进行修正
  • 其他的部分就按照框架的思路写就能完成。就是要足以一些边界值的处理，尤其是exp=0，exp=255等情况，需要讨论分别处理。

ppt后题目

  • 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。
  • 加法：
    • 1：0:11111110:1(*23)+0:11111110:1(*23)
    • 由于会产生进位，因此规格化后会变为inf
    • 2：0:11111110:1(*23)+1:11111110:1(*23)乘法：
    • 规格化后阶码为0会产生下溢，结果为0
  • 乘法：
    • 1：0:11111110:1(*23)*0:11111110:1(*23)
    • 由于乘法阶码相加，自然会造成阶码上溢，结果为inf
    • 2：0:00000001:0(*23)*0:00000001:0(*23)
    • 阶码相加之后小于最低值，发生阶码下溢，结果为0

小结

  • 这一部分需要完成的代码不算多，但我认为是整个pa1中最难的部分，浮点数的表示规则相对复杂，有些概念不是很好理解。而且这部分的细节很多，遗漏任何一步都无法正确完成，并且由于需要自己写规格化函数，在确认出错位置、调试上有一定的难度，只能通过打印大量数据，再进行分析。

总结

  • 经过这一阶段的实践，对理论课上所学的对应内容有了更深的理解。只有真正上手操作，才能理解许多规则及方法的制定原因。nemu框架代码有降低了体验这个过程的门槛，能很有效的帮助学习和理解。