CSAPP的Lab学习——Archlab(Architecture Lab)

文章目录

  • 前言
  • 一、A部分
    • sum .ys:迭代求和链表元素写一个Y86-64的程序和。
    • rsum .递归求和链表元素
    • copy.ys 复制将源块复制到目标块
  • 二、B部分
  • 三、C部分
    • 实现iaddq指令
  • 总结


前言

一个本硕双非的小菜鸡,备战24年秋招。刚刚看完CSAPP,真是一本神书啊!遂尝试将它的Lab实现,并记录期间心酸历程。
代码下载

官方网站:CSAPP官方网站
这道题下载完了记得不是完事了,还有一句话需要执行

unix> cd sim
unix> make clean; make

如果执行make clean; make出现了报错,如:
在这里插入图片描述
可参考这位大佬的解决方案:林夕丶

以下是官方文档翻译:
在这个实验室中,您将学习流水线Y86-64处理器的设计和实现,优化它和基准程序以最大化性能。允许您对基准测试程序进行任何语义保留转换,或者对流水线处理器进行增强,或者两者都进行。当您完成了实验室的工作后,您将会对影响程序性能的代码和硬件之间的交互产生强烈的欣赏。
这个实验室被分为三个部分,每个部分都有自己的把手。
在A部分中,您将编写一些简单的Y86-64程序,并熟悉Y86-64工具。
在B部分中,您将使用一个新的指令来扩展SEQ模拟器。
这两个部分将为您为实验室的核心C部分做准备,在那里您将优化Y86-64基准程序和处理器设计。


一、A部分

您将在本部分的目录sim/misc中工作。
您的任务是编写和模拟以下三个Y86-64程序。这些程序的所需行为由示例中的examples.c函数定义。一定要在每个程序的开头把你的名字和ID放在注释中。您可以测试您的程序,首先用程序YAS组装它们,然后用指令集模拟器YIS运行它们。
在所有的Y86-64函数中,您应该遵循x86-64约定来传递函数参数、使用寄存器和使用堆栈。这包括保存和恢复您使用的任何被调用的保存寄存器。

人话:把sim/misc/examples.c里面的仨函数用Y86-64程序写出来
参考书中图4.8
ps:我感觉用处不大啊,就是手写Y86-64的汇编程序呗,难怪我看做的人也不是很多。(并不打算多费时间在这上,就参考其他大佬的了)
具体详见知乎大佬的解析:早睡晚起

sum .ys:迭代求和链表元素写一个Y86-64的程序和。

即对链表中的元素进行迭代求和。您的程序应该由一些设置堆栈结构、调用一个函数、然后停止的代码组成。在这种情况下,函数应该是Y86-64代码(sum list),在功能上等同于C sum list和图1中的列表函数。使用以下三元素列表测试程序:

# Sample linked list
.align 8
ele1:
.quad 0x00a
.quad ele2
ele2:
.quad 0x0b0
.quad ele3
ele3:
.quad 0xc00
.quad 01 /* linked list element */
2 typedef struct ELE {
3 long val;
4 struct ELE *next;
5 } *list_ptr;
6
7 /* sum_list - Sum the elements of a linked list */
8 long sum_list(list_ptr ls)
9 {
10 long val = 0;
11 while (ls) {
12 val += ls->val;
13 ls = ls->next;
14 }
15 return val;
16 }
17
18 /* rsum_list - Recursive version of sum_list */
19 long rsum_list(list_ptr ls)
20 {
21 if (!ls)
22 return 0;
23 else {
24 long val = ls->val;
25 long rest = rsum_list(ls->next);
26 return val + rest;
27 }
28 }
29
30 /* copy_block - Copy src to dest and return xor checksum of src */
31 long copy_block(long *src, long *dest, long len)
32 {
33 long result = 0;
34 while (len > 0) {
35 long val = *src++;
36 *dest++ = val;
37 result ˆ= val;
38 len--;
39 }
40 return result;
41 }
/*Y86-64解决方案函数的C个版本。参见sim/misc/examples.c*/

代码:

# sum_list - Sum the elements of a linked list
# author: Deconx# Execution begins at address 0.pos 0irmovq stack, %rsp      # Set up stack pointercall main               # Execute main programhalt                    # Terminate program# Sample linked list.align 8
ele1:.quad 0x00a.quad ele2
ele2:.quad 0x0b0.quad ele3
ele3:.quad 0xc00.quad 0main:irmovq ele1,%rdicall sum_listret# long sum_list(list_ptr ls)
# start in %rdi
sum_list:irmovq $0, %raxjmp testloop:mrmovq (%rdi), %rsiaddq %rsi, %raxmrmovq 8(%rdi), %rditest:andq %rdi, %rdijne loopret# Stack starts here and grows to lower addresses.pos 0x200
stack:

注意,应在stack下方空一行,否则汇编器会报错。
然后按操作手册来,新建一个sum.ys文件,并把代码放入。
执行
./yas sum.ys
./yis sum.yo

看到%rax是cba就是成功了

在这里插入图片描述

rsum .递归求和链表元素

编写一个Y86-64程序 rsum.ys,递归地和链表的元素。这个代码应该类似于sum.ys的代码,除了它应该使用一个函数rsum list递归地求和一个数字列表的列表,如C函数rsum list所示 在图1中列出。使用用于测试列表相同的三元素列表测试程序list.ys.

代码:

# /* rsum_list - Recursive version of sum_list */
# author: Deconx# Execution begins at address 0.pos 0irmovq stack, %rsp      # Set up stack pointercall main               # Execute main programhalt                    # Terminate program# Sample linked list.align 8
ele1:.quad 0x00a.quad ele2
ele2:.quad 0x0b0.quad ele3
ele3:.quad 0xc00.quad 0main:irmovq ele1,%rdicall rsum_listret# long sum_list(list_ptr ls)
# start in %rdi
rsum_list:andq %rdi, %rdije return               # if(!ls)mrmovq (%rdi), %rbx     # val = ls->valmrmovq 8(%rdi), %rdi    # ls = ls->nextpushq %rbxcall rsum_list          # rsum_list(ls->next)popq %rbxaddq %rbx, %rax         # val + restret
return:irmovq $0, %raxret# Stack starts here and grows to lower addresses.pos 0x200
stack:

注意,应在stack下方空一行,否则汇编器会报错。
然后按操作手册来,新建一个rsum.ys文件,并把代码放入。
执行
./yas rsum.ys
./yis rsum.yo

看到%rax是cba就是成功了

在这里插入图片描述

copy.ys 复制将源块复制到目标块

编写一个程序(copy.ys),将单词块从内存的一个部分复制到另一个内存(非重叠区域),计算所有复制单词的校验和(Xor)。
您的程序应该由设置堆栈框架、调用函数副本的代码组成阻止,然后停止。该函数应该在功能上等同于C函数copy block,如图1所示。使用以下三个元素的源块和目标块测试程序:

.align 8
# Source block
src:
.quad 0x00a
.quad 0x0b0
.quad 0xc00
# Destination block
dest:
.quad 0x111
.quad 0x222
.quad 0x333

代码:

/* copy_block - Copy src to dest and return xor checksum of src */
# author: Deconx# Execution begins at address 0.pos 0irmovq stack, %rsp      # Set up stack pointercall main               # Execute main programhalt                    # Terminate program# Sample.align 8
# Source block
src:.quad 0x00a.quad 0x0b0.quad 0xc00# Destination block
dest:.quad 0x111.quad 0x222.quad 0x333main:irmovq src, %rdi        # srcirmovq dest, %rsi       # destirmovq $3, %rdx         # lencall copy_blockret# long copy_block(long *src, long *dest, long len)
# src in %rdi
# dest in %rsi
# len in %rdx
copy_block:irmovq $8, %r8irmovq $1, %r9irmovq $0, %raxandq %rdx, %rdxjmp test
loop:mrmovq (%rdi), %r10     # val = *src1addq %r8, %rdi          # src++rmmovq %r10, (%rsi)     # *dest = valaddq %r8, %rsi          # dest++xorq %r10, %rax         # result ^= valsubq %r9, %rdx          # len--.  Set CC
test:jne loop                # Stop when 0ret# Stack starts here and grows to lower addresses.pos 0x200
stack:

这道题几乎与4-7完全相同

注意,应在stack下方空一行,否则汇编器会报错。
然后按操作手册来,新建一个copy_block.ys文件,并把代码放入。
执行
./yas copy_block.ys
./yis copy_block.yo

看到%rax是cba就是成功了

在这里插入图片描述

二、B部分

您将在这部分的目录sim/seq中工作。
B部分中的任务是扩展SEQ处理器以支持iaddq,在家庭作业问题4.51和4.52中描述。要添加此说明,
您将修改文件的seq-full.hcl,它实现了CS: APP3e教科书中描述的SEQ版本。此外,它还包含了您
的解决方案所需要的一些常量的声明。
HCL文件必须以包含以下信息的标题注释开头:

  1. 你的名字和身份证。
  2. 对iaddq指令所需的计算方法的描述。使用CS: APP3e文本中图4.18中的irmovq和OPq的描述作为指南。
    构建和测试您的解决方案
    一旦你完成了修改序列的全部。hcl文件,然后你将需要基于这个hcl文件建立一个新的SEQ模拟器(ssim)的实例,然后测试它:
    建立一个新的模拟器。你可以使用make来构建一个新的SEQ模拟器:
    unix> make VERSION=full
    这构建了一个使用您在seq-full中指定的控制逻辑的ssim版本。要保存键入操作,您可以在Makefile中给与VERSION=full。
    在一个简单的Y86-64程序上测试你的解决方案。对于您的初始测试,我们建议在TTY模式下运行简单的程序,如asumi.yo(测试iaddq),并将结果与ISA模拟进行比较:
    unix> ./ssim -t …/y86-code/asumi.yo
    如果ISA测试失败,那么您应该通过以GUI模式单步进模拟器来调试实现:
    unix> ./ssim -g …/y86-code/asumi.yo
    使用基准测试程序重新测试您的解决方案。一旦你的模拟器能够正确地执行小程序,那么你就可以自动在Y86-64基准测试程序上测试它。…/y86-code:
    unix> (cd …/y86-code; make testssim)
    这将在基准测试程序上运行ssim,并通过将生成的处理器状态与来自高级ISA模拟的状态进行比较来检查其正确性。请注意,这些程序都没有测试所添加的指令。您只是在确保您的解决方案没有为原始指令注入错误。查看文件…/y86-code/README文件了解更多细节。
    执行回归测试。一旦您能够正确地执行基准测试程序,那么您就应该在…/ptest中运行广泛的回归测试集。要测试除iaddq之外的所有内容并leave:
    unix> (cd …/ptest; make SIM=…/seq/ssim)
    要测试iaddq的实现:
    unix> (cd …/ptest; make SIM=…/seq/ssim TFLAGS=-i)
    有关SEQ模拟器的更多信息,请参阅关于Y86-64处理器模拟器(simguide.pdf)的分发CS: APP3e指南。
1 /*
2 * ncopy - copy src to dst, returning number of positive ints
3 * contained in src array.
4 */
5 word_t ncopy(word_t *src, word_t *dst, word_t len)
6 {
7 word_t count = 0;
8 word_t val;
9
10 while (len > 0) {
11 val = *src++;
12 *dst++ = val;
13 if (val > 0)
14 count++;
15 len--;
16 }
17 return count;
18 }
/*图2:ncopy函数的C版本。请参阅sim/pipe/ncopy.c*/

这块就不越俎代庖了,大家看大佬的就好:大佬答案
测试方法

make VERSION=full
cd seq/
./ssim -t ../y86-code/asumi.yoY86-64 Processor: seq-full.hcl
cd ../ptest; make SIM=../seq/ssim TFLAGS=-i

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

三、C部分

您将在本部分的目录sim/pipe中工作。
图2中的ncopy函数将一个len-元素整数数组src复制到一个不重叠的dst中,返回src中包含的正整数的计数。图3显示了ncopy的基线Y86-64版本。文件pipe-full.hcl包含一个针对PIPE的HCL代码的副本,以及一个常量值IIADDQ的声明。
您在C部分中的任务是修改ncopy.ys和pipe-full.hcl的目标是制作ncopy.ys。跑得越快越好。
你将提交两个文件:pipe-full.hcl和ncopy.ys。每个文件都应该以一个包含以下信息的标题注释开头:
你的名字和身份证。
对您的代码的高级描述。在每种情况下,描述您如何以及为什么修改代码。

您可以自由地做任何您想要的修改,并有以下限制:

  1. 你的ncopy.ys函数必须适用于任意大小的数组。您可能会试图通过简单地编码64个复制指令来硬连接64个元素数组的解决方案,但这将是一个坏主意,因为我们将根据其在任意数组上的性能对您的解决方案进行分级。
  2. 你的ncopy.ys函数必须与YIS一起正确运行。通过正确地复制,我们的意思是它必须正确地复制src块并返回(以%rax表示)正确的正整数数。
  3. ncopy文件的组装版本的长度不能超过1000字节。您可以使用提供的脚本check-len.pl检查嵌入了ncopy函数的任何程序的长度:unix> ./check-len.pl < ncopy.yo
  4. 你的pipe-full.hcl实现必须通过中的回归测试:…/y86-code和 …/ptest。(没有测试iaddq的-i标志)。

除此之外,如果你认为iaddq指令会有帮助,你就可以自由地执行iaddq指令。您可以对ncopy进行任何保留语义的转换。它的功能,如重新排序指令,用单个指令替换指令组,删除一些指令,以及添加其他指令。您可能会发现在CS: APP3e的第5.8节中阅读关于循环展开的信息很有用。

1 ##################################################################
2 # ncopy.ys - Copy a src block of len words to dst.
3 # Return the number of positive words (>0) contained in src.
4 #
5 # Include your name and ID here.
6 #
7 # Describe how and why you modified the baseline code.
8 #
9 ##################################################################
10 # Do not modify this portion
11 # Function prologue.
12 # %rdi = src, %rsi = dst, %rdx = len
13 ncopy:
14
15 ##################################################################
16 # You can modify this portion
17 # Loop header
18 xorq %rax,%rax # count = 0;
19 andq %rdx,%rdx # len <= 0?
20 jle Done # if so, goto Done:
21
22 Loop: mrmovq (%rdi), %r10 # read val from src...
23 rmmovq %r10, (%rsi) # ...and store it to dst
24 andq %r10, %r10 # val <= 0?
25 jle Npos # if so, goto Npos:
26 irmovq $1, %r10
27 addq %r10, %rax # count++
28 Npos: irmovq $1, %r10
29 subq %r10, %rdx # len--
30 irmovq $8, %r10
31 addq %r10, %rdi # src++
32 addq %r10, %rsi # dst++
33 andq %rdx,%rdx # len > 0?
34 jg Loop # if so, goto Loop:
35 ##################################################################
36 # Do not modify the following section of code
37 # Function epilogue.
38 Done:
39 ret
40 ##################################################################
41 # Keep the following label at the end of your function
42 End:
/*ncopy函数的基线Y86-64版本。请参阅sim/pipe/ncopy.ys*/

解答:

实现iaddq指令

pipe-full.hcl改动部分,可参考PartB

# Is instruction valid?
bool instr_valid = f_icode in { INOP, IHALT, IRRMOVQ, IIRMOVQ, IRMMOVQ, IMRMOVQ,IOPQ, IJXX, ICALL, IRET, IPUSHQ, IPOPQ, IIADDQ};
# Does fetched instruction require a regid byte?
bool need_regids =f_icode in { IRRMOVQ, IOPQ, IPUSHQ, IPOPQ, IIRMOVQ, IRMMOVQ, IMRMOVQ, IIADDQ};# Does fetched instruction require a constant word?
bool need_valC =f_icode in { IIRMOVQ, IRMMOVQ, IMRMOVQ, IJXX, ICALL, IIADDQ};
## What register should be used as the B source?
word d_srcB = [D_icode in { IOPQ, IRMMOVQ, IMRMOVQ , IIADDQ} : D_rB;D_icode in { IPUSHQ, IPOPQ, ICALL, IRET } : RRSP;1 : RNONE;  # Don't need register
];## What register should be used as the E destination?
word d_dstE = [D_icode in { IRRMOVQ, IIRMOVQ, IOPQ, IIADDQ} : D_rB;D_icode in { IPUSHQ, IPOPQ, ICALL, IRET } : RRSP;1 : RNONE;  # Don't write any register
## Select input A to ALU
word aluA = [E_icode in { IRRMOVQ, IOPQ } : E_valA;E_icode in { IIRMOVQ, IRMMOVQ, IMRMOVQ, IIADDQ} : E_valC;E_icode in { ICALL, IPUSHQ } : -8;E_icode in { IRET, IPOPQ } : 8;# Other instructions don't need ALU
];## Select input B to ALU
word aluB = [E_icode in { IRMMOVQ, IMRMOVQ, IOPQ, ICALL, IPUSHQ, IRET, IPOPQ, IIADDQ} : E_valB;E_icode in { IRRMOVQ, IIRMOVQ } : 0;# Other instructions don't need ALU
];
## Should the condition codes be updated?
bool set_cc = E_icode == (E_icode == IOPQ || E_icode == IIADDQ)&&# State changes only during normal operation!m_stat in { SADR, SINS, SHLT } && !W_stat in { SADR, SINS, SHLT };

在sim/pipe输入以下命令测试

./psim -t ../y86-code/asumi.yo
(cd ../ptest;make SIM=../pipe/psim TFLAGS=-i)
(cd ../ptest;make SIM=../pipe/psim)

测试成功
在这里插入图片描述
通过这两个命令测试CPE

./correctness.pl
./benchmark.pl

得:在这里插入图片描述
出了点问题,改完iaddrq指令后,CPE全都变成小于1了。。。不知道为啥?
网上也没找到原因,重新替换也不好使。


总结

这一章比较乱,我的重心也没放在这里。最近事太多心理上也十分的烦躁、焦虑。希望以后可以恢复过来,然后我再次跟这道题抗争到底!我能行的!

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