PA 2-1 指令解码与执行——简单复杂的机器
在完成了基本的运算功能后，我们希望计算机能够按照我们的命令来执行各种运算。在这一阶段，我们就要赋予NEMU这样的能力。
代码实现
Info
在这一阶段要实现较多的指令，需要通过除了hello-inline和echo以外的所有测试用例，基本的步骤为：
- 修改
Makefile中run目标规则中的<testcase_name>，指定要执行的测试用例。或使用
make test_pa-2-1
自动执行各个测试用例；
- 若遇到
invalide opcode错误，则使用./scripts/objdump4nemu-i386 –d testcase/bin/<testcase_name>查看测试用例反汇编结果，看看到底是缺了哪条指令，查阅i386手册详细了解这条指令。实现这条指令并将其加入opcode_entry[]数组，替换对应位置上的inv指令 - 框架代码已经提供了一部分指令的实现，只是没有填入
opcode_entry[]，比如mov.S所需要的所有指令）； objdump4nemu-i386是我们为NEMU定制的反汇编工具，随着框架代码一起发布，如果没有objdump4nemu-i386，可以使用自带objdump命令，但是对于NEMU定制的0x82指令的反汇编会出现错误，并且引起一系列的后续错误；
重复上述过程，直至通过所有这一阶段要求的测试用例（见到传说中的Hit Good Trap），建议按照框架代码的默认顺序来执行测试用例。注意：test-float测试用例是唯一的一个例外，它理应Hit Bad Trap，请在实验报告中简述为什么。
注意：push imm8指令需要对立即数进行符号扩展，这一点在i386手册中没有说明，在IA-32手册中关于push指令有如下说明： If the source operand is an immediate and its size is less than the operand size, a sign-extended value is pushed on the stack。
关于指令实现的一个小提示
我们在实现指令时，可以参考框架代码中提供的指令参考__ref_，或许大部分时间你觉得指令实现十分顺利，但是如果你遇到一些奇怪的问题时，这是一个十分重要的调试手段
教程十分冗长，最简单的方法是仿照给出的几个指令实现——尽管这不很利于你完全理解全部细节。
一个重要的示例是实现了的mov指令，这给出了很大的参考
static void instr_execute_2op()
{
operand_read(&opr_src);
opr_dest.val = opr_src.val;
operand_write(&opr_dest);
}
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)
instr_execute_2op中形式化的给出了指令的目的，调用了operand_read和operand_write用于读取和写入操作数；而make_instr_impl_2op则给出了指令的源操作数和目的操作数，以及指令的类型（r、rm、i），在宏的良好定义下，我们只需要实现好instr_execute_2op。类似的指令还有adc, add, and, bt, cbw, cmov, cmp, dec, inc, jcc, 大多数的mov, not, or, pop, push, sar, sbb, setcc, shl, shr, sub, test, xor（仅供参考）。
仿照于此，我们给出一些指令的实现
/* add */
static void instr_execute_2op(){
operand_read(&opr_src);
operand_read(&opr_dest);
if(opr_src.data_size < data_size) opr_src.val = sign_ext(opr_src.val, opr_src.data_size);
opr_dest.val = alu_add(opr_src.val, opr_dest.val, data_size);
operand_write(&opr_dest);
}
make_instr_impl_2op(add, r, rm, b)
make_instr_impl_2op(add, r, rm, v)
make_instr_impl_2op(add, rm, r, b)
make_instr_impl_2op(add, rm, r, v)
make_instr_impl_2op(add, i, a, b)
make_instr_impl_2op(add, i, a, v)
make_instr_impl_2op(add, i, rm, b)
make_instr_impl_2op(add, i, rm, v)
make_instr_impl_2op(add, i, rm, bv)
/* or */
static void instr_execute_2op(){
operand_read(&opr_src);
operand_read(&opr_dest);
if(opr_src.data_size < data_size) opr_src.val = sign_ext(opr_src.val, opr_src.data_size);
if(opr_dest.data_size < data_size) opr_dest.val = sign_ext(opr_dest.val, opr_dest.data_size);
opr_dest.val = alu_or(opr_src.val, opr_dest.val, data_size);
operand_write(&opr_dest);
}
make_instr_impl_2op(or, r, rm, b)
make_instr_impl_2op(or, r, rm, v)
make_instr_impl_2op(or, rm, r, b)
make_instr_impl_2op(or, rm, r, v)
make_instr_impl_2op(or, i, a, b)
make_instr_impl_2op(or, i, a, v)
make_instr_impl_2op(or, i, rm, b)
make_instr_impl_2op(or, i, rm, v)
make_instr_impl_2op(or, i, rm, bv)
还有一种指令——call, cltd, cmps, div, idiv, mul, imul, cld, clc, sahf, hlt, int, jmp, lea, leave, rep, ret, stos, x87（仅供参考），这些指令不能借助于宏的定义实现，我们需要关心源操作数和目的操作数及其类型。
我们以jmp指令为参考如下：
make_instr_func(jmp_near)
{
OPERAND rel;
rel.type = OPR_IMM;
rel.sreg = SREG_CS;
rel.data_size = data_size;
rel.addr = eip + 1;
operand_read(&rel);
int offset = sign_ext(rel.val, data_size);
print_asm_1("jmp", "", 1 + data_size / 8, &rel);
cpu.eip += offset;
return 1 + data_size / 8;
}
make_instr_func(jmp_short)
{
OPERAND rel;
rel.type = OPR_IMM;
rel.sreg = SREG_CS;
rel.data_size = 8;
rel.addr = eip + 1;
operand_read(&rel);
int offset = sign_ext(rel.val, rel.data_size);
print_asm_1("jmp", "", 1 + data_size / 8, &rel);
cpu.eip += offset;
return 1 + rel.data_size / 8;
}
make_instr_func(jmp_near_indirect)
{
OPERAND rel;
uint8_t opcode_temp = 0xff;
rel.data_size = data_size;
modrm_opcode_rm(cpu.eip+1 , &opcode_temp, &rel);
operand_read(&rel);
cpu.eip = rel.val;
return 0;
}
make_instr_func(jmp_far_imm){
#ifdef IA32_SEG
OPERAND r, rm;
r.data_size = 32;
rm.data_size = 16;
r.type = OPR_IMM;
r.sreg = SREG_CS;
r.addr = eip + 1;
rm.type = OPR_IMM;
rm.sreg = SREG_CS;
rm.addr = eip + 5;
operand_read(&r);
operand_read(&rm);
cpu.cs.val = rm.val;
load_sreg(SREG_CS);
cpu.eip = r.val;
#endif
return 0;
}
jmp指令中，我们注意到，jmp指令的源操作数可以是立即数、寄存器、内存地址，因此我们需要根据不同的情况给出不同的实现。
这里我们尤其提到两个与栈相关的操作：push和pop，这两个指令在实现时常遇到问题，主要原因是对模拟栈与框架结构不很熟悉——我们需要强调，这部分相关内容很重要，对于一个程序这门课程需要你有能力画出对应的栈帧，而在模拟栈帧的方面，我们给出push和pop指令的参考实现如下：
/* push */
static void instr_execute_1op(){
operand_read(&opr_src);
if(opr_src.data_size < data_size){
opr_src.val = sign_ext(opr_src.val, opr_src.data_size);
opr_src.data_size = data_size;
}
switch(data_size){
case 16:
cpu.esp -= 2;
opr_src.addr = cpu.esp;
opr_src.sreg = SREG_SS;
opr_src.type = OPR_MEM;
break;
case 32:
cpu.esp -= 4;
opr_src.addr = cpu.esp;
opr_src.sreg = SREG_SS;
opr_src.type = OPR_MEM;
break;
default:
assert(0);
break;
}
operand_write(&opr_src);
}
make_instr_impl_1op(push, r, v)
make_instr_impl_1op(push, i, v)
make_instr_impl_1op(push, i, b)
make_instr_impl_1op(push, rm, v)
/* pop */
static void instr_execute_1op(){
switch(data_size){
case 16:
opr_dest.addr = cpu.esp;
opr_dest.sreg = SREG_SS;
opr_dest.type = OPR_MEM;
opr_dest.data_size = 16;
cpu.esp += 2;
break;
case 32:
opr_dest.addr = cpu.esp;
opr_dest.sreg = SREG_SS;
opr_dest.type = OPR_MEM;
opr_dest.data_size = 32;
cpu.esp += 4;
break;
default:
assert(0);
break;
}
operand_read(&opr_dest);
opr_src.val = opr_dest.val;
operand_write(&opr_src);
}
make_instr_impl_1op(pop, r, v)
选择你的道路
在本章的实验中，我们常见有两种不同的实现方式，你可以选择其中一种：
第一种正如教程所说，逐级查看反汇编代码实现指令，这种实现方式可以让你感受到步步前进的乐趣，但是查看反汇编结果有时可能需要不少的时间；
另一种更加暴力——直接使用__ref_覆盖opcode，理论上你可以通过所有测试用例并提示你引用了参考应该避免提交，然后逐步将__ref_替换为你的实现，但是你可能会因此实现一些本阶段暂时不必实现的指令，导致工程量的进一步增加。
思考习题
PA2-1-1
使用hexdump命令查看测试用例的.img文件，所显示的.img文件的内容对应模拟内存的哪一个部分？指令在机器中表示的形式是什么？
使用hexdump命令查看测试用例的.img文件，所显示的.img文件的内容对应模拟内存的从0x30000开始的一段空间中，PA-2-1阶段框架代码直接将二进制.img文件拷贝到模拟内存作为测试样例，拷贝的具体实现过程如下：
指令在机器中是以二进制形式表示的，每条指令由一或多个字节组成，表示操作码（opcode）和操作数（operands）。根据冯·诺依曼结构，指令在形式上与数据没有区别。
PA2-1-2
如果去掉instr_execute_2op()函数前面的static关键字会发生什么情况？为什么？
在此处static 关键字的作用是限制函数的可见性，使其只能在定义它的源文件中被访问 如果仅去掉一个instr_execute_2op()函数前面的static关键字，相关命令（如make test_pa-2-1）仍然能正常运行，这是因为编译时其他instr_execute_2op()函数都可以正确链接，而没有加static 关键字的函数为全局函数，由于其文件中没有重定义，也可以正确运行
如果去掉了两个及以上instr_execute_2op()函数前面的static关键字，执行结果如下:
由于在add和adc中均定义了同名的全局函数 instr_execute_2op，导致链接器在链接过程中报重定义错误
PA2-1-3
为什么test-float会fail？以后在写和浮点数相关的程序的时候要注意什么？
在testcase目录下运用反汇编工具执行如下命令./objdump4nemu-i386 -d bin/test-float可以得到如下结果
00030000 <start>:
30000: e9 00 00 00 00 jmp 30005 <main>
00030005 <main>:
30005: 55 push %ebp
30006: 89 e5 mov %esp,%ebp
30008: 83 e4 f8 and $0xfffffff8,%esp
3000b: 83 ec 10 sub $0x10,%esp
3000e: d9 05 00 10 03 00 flds 0x31000
30014: d9 5c 24 0c fstps 0xc(%esp)
30018: d9 e8 fld1
3001a: d9 5c 24 08 fstps 0x8(%esp)
3001e: d9 44 24 0c flds 0xc(%esp)
30022: d8 44 24 08 fadds 0x8(%esp)
30026: d9 5c 24 04 fstps 0x4(%esp)
3002a: dd 05 08 10 03 00 fldl 0x31008
30030: d9 44 24 04 flds 0x4(%esp)
30034: da e9 fucompp
30036: df e0 fnstsw %ax
30038: 80 e4 45 and $0x45,%ah
3003b: 80 fc 40 cmp $0x40,%ah
3003e: 74 06 je 30046 <main+0x41>
30040: b8 01 00 00 00 mov $0x1,%eax
30045: 82 nemu_trap
30046: d9 44 24 0c flds 0xc(%esp)
3004a: d8 4c 24 08 fmuls 0x8(%esp)
3004e: d9 5c 24 04 fstps 0x4(%esp)
30052: dd 05 10 10 03 00 fldl 0x31010
30058: d9 44 24 04 flds 0x4(%esp)
3005c: da e9 fucompp
3005e: df e0 fnstsw %ax
30060: 80 e4 45 and $0x45,%ah
30063: 80 fc 40 cmp $0x40,%ah
30066: 74 06 je 3006e <main+0x69>
30068: b8 01 00 00 00 mov $0x1,%eax
3006d: 82 nemu_trap
3006e: d9 44 24 0c flds 0xc(%esp)
30072: d8 74 24 08 fdivs 0x8(%esp)
30076: d9 5c 24 04 fstps 0x4(%esp)
3007a: dd 05 10 10 03 00 fldl 0x31010
30080: d9 44 24 04 flds 0x4(%esp)
30084: da e9 fucompp
30086: df e0 fnstsw %ax
30088: 80 e4 45 and $0x45,%ah
3008b: 80 fc 40 cmp $0x40,%ah
3008e: 74 06 je 30096 <main+0x91>
30090: b8 01 00 00 00 mov $0x1,%eax
30095: 82 nemu_trap
30096: d9 44 24 0c flds 0xc(%esp)
3009a: d8 64 24 08 fsubs 0x8(%esp)
3009e: d9 5c 24 04 fstps 0x4(%esp)
300a2: dd 05 18 10 03 00 fldl 0x31018
300a8: d9 44 24 04 flds 0x4(%esp)
300ac: da e9 fucompp
300ae: df e0 fnstsw %ax
300b0: 80 e4 45 and $0x45,%ah
300b3: 80 fc 40 cmp $0x40,%ah
300b6: 74 06 je 300be <main+0xb9>
300b8: b8 01 00 00 00 mov $0x1,%eax
300bd: 82 nemu_trap
300be: b8 00 00 00 00 mov $0x0,%eax
300c3: 82 nemu_trap
300c4: b8 00 00 00 00 mov $0x0,%eax
300c9: c9 leave
300ca: c3 ret
考虑 test-float 的部分汇编代码（a = 1.2f, b = 1.0f, a - b 的比较）：
# (gdb) x/2x 0x101018
# 0x101018: 0x9999999a 0x3fc99999
# 0x3fc999999999999a 对应十进制 0.2 的 double 近似值
# 浮点数 a = 1.2 压入浮点栈顶部
100096: d9 44 24 0c flds 0xc(%esp)
# 浮点减法运算 a -= b (b = 1.0f)
10009a: d8 64 24 08 fsubs 0x8(%esp)
# 运算结果写入 %esp + 4
10009e: d9 5c 24 04 fstps 0x4(%esp)
# 加载双精度浮点数 0.2 压入浮点栈顶部
1000a2: dd 05 18 10 10 00 fldl 0x101018
# 之前的运算结果压入浮点栈
1000a8: d9 44 24 04 flds 0x4(%esp)
# 比较栈顶的两个值
1000ac: da e9 fucompp
# 之后是对运算结果的处理
1000ae: df e0 fnstsw %ax
1000b0: 80 e4 45 and $0x45,%ah
# 条件码比较
1000b3: 80 fc 40 cmp $0x40,%ah
# 相等则跳转
1000b6: 74 06 je 1000be <main+0xb9>
这里的 add 与 cmp 操作并非对浮点数的操作，而是对 fucompp 指令修改的条件码（存储在 %ax，用到的有C3 C2 C0）进行掩码计算（and）与比较（cmp）：
| cmp | C3 | C2 | C0 |
|---|---|---|---|
| ST(0) > ST(1) | 0 | 0 | 0 |
| ST(0) < ST(1) | 0 | 0 | 1 |
| ST(0) == ST(1) | 1 | 0 | 0 |
所以这里确实应该使用 add cmp 整数指令，而 HIT_BAD_TRAP 的原因确实是 “二进制表示浮点数时，由于机器所能表示的浮点数并非连续，其对于一些浮点数会有所舍入，使两个浮点数相加后的结果与直接将结果赋值给一浮点数两者有一定差别”
（fucompp 指令在比较两个浮点数的时候采用精确比较，不容许误差）
参考：
https://tizee.github.io/x86_ref_book_web/instruction/fucom_fucomp_fucompp.html
致谢
感谢Nopthon🍔对本题存在问题的原答案的指正与修正。
PA2-1阶段结束
寒山鸣钟，声声苦乐皆随风
拾得落红，叶叶来去都从容