HNU-计算机系统-实验1-原型机vspm1.0-(二周目玩家视角)

前言

二周目玩家,浅试一下这次的原型机实验。总体感觉跟上一年的很相似,但还是有所不同。

可以比较明显地感觉到,这个界面越来越好看了,可操作与可探索的功能也越来越多了。

我们HNU的SYSTEM真的越来越好了!!!(doge)

(1)vspm,miniCC

在试玩之前,先明确vspmminiCC这些都是什么。

vspm是一个小型的原型机,模拟了一个有6个寄存器,有cpu等基础配置的计算机,使用汇编代码来逐步或多步执行,用于教学作用。(vspm读取.txt配置文件并逐步执行)

miniCC是编译器,以近似C的语法执行编译,将我们写的代码逐步编译成四元组vspm的汇编指令配置文件,以一些其它的指令可以做一些别的操作,如指定输出文件名,打印内容等。它做到的事情类似于gcc,但有所不同,gcc是逐步生成预编译文件,汇编代码与可执行文件的过程,和用作教学作用的vspm不同。

但miniCC编译器确实存在一些严重的问题,相信喜欢探索的同学已经碰到了,这个问题坦白来说确实存在,而且短时间内没法解决,可能到23级的同学的时候就能修好了。目前一个问题是在for循环的判定条件内只能识别++或者--,不能识别 i = i + 1这种。

下面是gcc逐步生成可执行文件的过程。

gcc -E helloworld.c -o helloworld.i
gcc -S helloworld.i -o helloworld.s
gcc -c helloworld.s -o helloworld.o
gcc helloworld.o -o helloworld

其实感觉形式上还是有点像的,虽然内容完全不同。 

(2)环境配置

还有环境配置,这个环境要求要java环境(因为vspm使用java编写),版本21以上,包括ubuntu环境的配置,是一个很大的工程(新手基本暴毙在环境配置上)。我的好同学,同时也是计科某班的助教LIU,写了一个《how to build java21 on ubuntu20.04》,有机会可以读一下。

下面就是试玩报告啦:

实验1.原型机vspm1.0

【实验目的】

  1. 了解冯诺伊曼体系结构;
  2. 理解指令集结构及其作用;
  3. 理解计算机的运行过程,就是指令的执行过程,并初步掌握调试方法。

【实验准备】

  1. 阅读教材,掌握冯诺伊曼体系的相关内容;
  2. 学习课程《最小系统与原型机I》。

【实验步骤】

  1. 进入终端,使用cd vspm1.0进入目录;

使用./vspm a-inst.txt来运行原型机1.0的模拟器,其中a-inst.txt为代码文件,

6in R1   #输入a到R1movi 1 #设置R0为1add R2,R1 #R2存放累加值sub R1,R0 #R1的值即a减去1,此时会设置G值movd #将当前PC值保存在R3中movi -3 #存放-3到R0中,跳转到第二行add R3,R0 #R3减去3,注意此时不能用SUB指令,会影响G值jg #如果R1的值还大于1,则跳到第2行去执行out R2 #如果R1的值此时小于等于1,则准备输出halt #停机

第一行的6,表示分配6个字节的数据段;

后面的均为原型机指令,每一行指令代表的意义及整体执行结果在《最小系统与原型机I》中已经进行了详细说明。

运行后界面如下图所示。

  1. 在运行后,提示将要执行的指令地址及内容,在本例中,提示要执行位于内存00000110处的指令“in R1”,即等待输入一个整数值。此时输入si则表示执行此指令,同时也可以输入其他的指令,使用help可以查看此模拟器支持的命令:
  2. 此时输入i r,可以查看各个寄存器的值,而输入x 6 0000则表示查看从0000开始的连续6个内存地址值,结果如图所示。
  3. 输入si,则表示运行一条指令,例如此时运行的指令是“in R1”,表示等待输入,输入一个值5,在输入完成后将此数值存至R0寄存器,运行完成后,再运行i r指令,就可以看到输入的值5确实是已经存在R0寄存器中,每个寄存器的值都用十进制和十六进制表示,如下图所示。
  4. 后续程序的执行过程可参照视频进行操作。
  5. 程序执行完毕后,可以使用q退出。

三、练习思考

1.练习内容

1.按照上述的实验步骤,完成相关操作;

【参考回答】上述a-inst.txt完成的工作是计算自然数列1+2+……+n的和,n由输入读入。

2.在目录下还有b-inst.txtc-inst.txt,请运行并调试,并对这些代码所做的工作进行解释;

b-inst.txt(完成比较a和b大小的工作,并输出较小的值)

6
in R1 		#输入第一个数a
in R2 		#输入第二个数b
mova R0,R1 	#在R0保存a 
sub R1,R2  	#a-b,此时会设置G
mova R1,R0 	#a保存到R1
movd       	#保存当前的PC值到R3
movi 6     	#R0的值设置为6,即跳转到11行
add R3,R0  	#R3的值加6
mova R0,R2 	#b的值保存到R0
jg         	#如果a的值比b大,就跳转
#跳转地址
mova R0,R1 #将a的值保存到R0
out R0     #输出R0
halt

c-inst.txt(完成两个大于1的正数相乘的工作,并输出结果)

8
#两个大于1的正数相乘
in R1		#乘数a
movb R0,R1	#乘数a存放到内存0000 0000
in R1		#被乘数b
movi 1
movb R0,R1	#被乘数b存放在内存0000 0001#结果存放在内存 0000 0010
#开始循环
movi 1		#R0中的值为1
movc R1,R0	#从内存中取出值b
movi 1		#设置R0中的值为1
sub R1,R0	#R1即b值减1,此时设置G值
movi 1
movb R0,R1	#b值需要保存回去
movi 0		#R0中设置为0,即内存地址0
movc R2,R0	#取出a值
movi 2		#R0中设置为2,即内存地址0000 0010
movc R1,R0	#取出结果
add R1,R2	#做加法
movb R0,R1	#将结果存回去
movd       	#保存当前的PC值到R3
movi -12     	#R0的值设置为-12
add R3,R0  	#R3的值加-12
jg         	#如果第12行的减法设置G为1,就跳转
#循环结束
movi 2		#R0中设置为2,即内存地址0000 0010
movc R1,R0	#取出结果
out R1		#打印结果
halt

3.完成实验报告。

2.思考问题

(1)   如果基于这些指令实现两个整数的乘法与除法?

【参考想法】

实际上可以先用c++写好,然后使用hnu-vspm编译器来进行编译。

分别使用下述命令,若没有编译报错,则可以最终生成配置文件(供vspm读取的汇编代码)

./miniCC -c1 mytest.c -o mytest.q
./miniCC -lvspm mytest.q -o mytest.hnus
./miniCC -lvspm mytest.hnus -o mytest.txt

最后再使用如下指令就可以像上面的a-inst等一样单步运行了。

./vspm mytest.txt

前提是没有出编译错误。

上述过程大致可以截图如下:

 然后就可以试试自己的代码能不能成功运行,是不是可以转成合适的vspm汇编代码。

(2)  vspm1.0的指令集是否完备?如果是,那么如何证明(提示:搜索并阅读“可计算性理论”)?如果不是,那么要增加哪些指令?

【参考想法】

(3)  如果一台计算机只支持加法、减法操作,那么能否计算三角函数,对数函数?(提示:搜索并阅读“泰勒级数展开”等内容)

【参考想法】

   (4)对于某个需要完成的功能,如果既可以通过硬件上增加电路来实现,也可以通过其他已有指令的组合来实现,那么如何判断哪一种比较合适?(提示:搜索并阅读RISC与CISC)。

【参考想法】

此外还有一些比较有趣的点值得关注

比如数据段是什么,配置文件的第一个数字6是什么意思,PC寄存器和G寄存器是干什么的……

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