磨刀不误砍柴工！！！

实验目的：

1. 掌握i386（IA-32）指令格式。
2. 掌握NEMU平台的指令周期。

切换用户程序

修改工程目录下的Makefile文件，更换NEMU的用户程序：

1- USERPROG := obj/testcase/mov
2+ USERPROG := obj/testcase/mov-c

同理，将mov-c更换为testcase/src目录下的其他文件，例如add、bubble-sort等，即可执行对应的用户程序。

了解NEMU的指令集

X86系列处理器采用变长指令字结构，各种指令长度随指令功能而异。

要实现一条指令，首先你需要知道这条指令的格式和功能。格式决定如何解释，功能决定如何执行。这些信息都在 instruction set page（i386 手册第17 章）。

i386 手册中的汇编语言格式都是 Intel 格式，而 objdump（反汇编）的默认格式是 AT&T 格式，两者的源操作数和目的操作数位置不一样，千万不要把它们混淆了！

指令格式

x86指令的一般格式如下：

1. Opcode（操作码）必定出现，其余组成部分可能不出现。Opcode决定是否出现ModR/M；SIB、Displacement、Immediate由ModR/M决定。
2. 对于某些组成部分，其长度并不是固定的。
3. 给定一条具体指令的二进制形式，其组成部分的划分是有办法确定的，不会产生歧义

例如对于以下指令：

它的划分如下：

ModR/M部分为什么解析出了disp32[--][--]？

ModR/M内部这一个字节的组成，分为了三个部分，具体每个部分的编码都对应着右边表内的含义，以ModR/M内的编码为基准进行查表就能够解析出对应的含义。

例如例子中的ModR/M部分编码是84（十六进制），对应二进制就是10000100，对应回格式中的部分就是Mod部分为10，R/M部分为100，二者在右边表中可以对应出一行，这一行的对应指令就是disp32[--][--]。disp32代表偏移量（displacement）为32位的，两个[--][--]就代表我们需要解析SIB中的编码部分才能得到偏移量的具体数值。

阅读Opcode Table

以mov指令的第一种形式为例：

接下来的两种形式也就不难看懂了：但这两种形式的Opcode都是一样的，难道不会出现歧义吗？

x86是通过指令一般格式中的 operand-size prefix来区分上面这两种形式的。

Operand-size prefix的编码是0x66，作用是指示当前指令需要改变操作数的长度。在 IA-32 中，通常如果这个前缀没有出现，操作数长度默认是 32 位；当这个前缀出现的时候，操作数长度就改变成16位。

换句话说，如果把一个开头为89 ...的比特串解释成指令，它就应该被解释成MOV r/m32, r32的形式；如果比特串的开头是66 89...，它就应该被解释成MOV r/m16, r16。

C语言宏定义

在C语言中，可以使用命令#define来定义宏。宏不负责检查语法的正确性。

1// 常规的宏
2#define PI 3.1415926
3// 带参数的宏
4#define putchar(x) putc(x, stdout)
5
6// 使用宏进行连接
7#define concat(x, y)   x ## y

例如：

1#define make_helper(name) int name(swaddr_t eip)

这个宏定义就代表了以下的两行代码是同一个代码，我们使用的时候看到的是上面部分函数，但是程序执行的时候实际上是在执行下面的函数（实际上就是同一个函数）：

1make_helper(exec)
2int exec(swaddr_t eip)

在C语言中，宏必须定义在一行中。

若需通过换行提高代码可读性，可使用\附在每行末尾。

NEMU的指令周期

取指

核心流程

 1void cpu_exec(volatile uint32_t n) {
 2    ...
 3
 4    for(; n>0; n--) {
 5        int instr_len = exec(cpu.eip);  // 执行当前%eip所指向的指令
 6        cpu.eip += instr_len;           // %eip指向下一条指令
 7    }
 8
 9    ...
10}

函数exec：

1make_helper(exec) {     //等价于 int exec(swaddr_t eip)
2    ops_decoded.opcode = instr_fetch(eip, 1);       // 表示读取一个字节的操作码
3    return opcode_table[ops_decoded.opcode](eip);   // 返回一个函数 
4}

其中，函数instr_fetch()负责取指：

1static inline uint32_t instr_fetch(swaddr_t addr, size_t len) {
2    return swaddr_read(addr, len);
3}

instr_fetch()从eip处提取Opcode，存储到ops_decoded.opcode中。

译码

所有指令的规则如下：

通过opcode_table，根据提取到的Opcode找到对应的指令处理函数（如mov_i2r_v）。

执行

1. 对于同一指令的不同形式，它们的执行阶段是相同的。如mov_i2rm和mov_rm2r，它们的执行阶段都是将源操作数存储到目标操作数中。
2. 对于不同指令的同一种形式，它们的译码阶段是相同的。如mov_i2rm和sub_rm2r，它们的译码阶段都是识别出一个立即数和一个rm操作数。
3. 对于同一条指令同一种形式的不同长度，它们的译码阶段和执行阶段都非常类似。如mov_i2rm_b，mov_i2rm_w和mov_i2rm_l。它们都是识别出一个立即数和一个rm操作数，然后把立即数存入rm操作数。

访存

写回

指令执行完后，eip指向下一条指令。

编写指令的流程

1. 编写指令模板文件xxx-template.h
   ① 在文件头尾分别包含cpu/exec/template-start.h和cpu/exec/template-end.h。
   ② 定义宏instr为指令名称。
   ③ 定义函数static void do_execute()，实现该指令的通用执行过程。
   ④ 定义helper函数
   （1）若指令的译码方式在nemu/include/cpu/decode/decode.h中已经存在，那么可以考虑使用宏 make_instr_helper()来构造helper函数（大部分 helper 函数都可以通过这种方式构造）。
   （2）否则可以考虑添加相应的译码函数或者不使用make_instr_helper(), 而是直接使用make_helper()来定义helper函数，在函数体中直接进行译码，并调用do_execute()（可以参考nemu/src/cpu/exec/data-mov/xchg-template.h中的xchg_a2r指令类型。
   

2. 编写指令实例化文件xxx.c
   ① 包含cpu/exec-helper.h。
   ② 通过分别将宏DATA_BYTE定义成 1, 2, 4, 分别对指令模板文件xxx-template.h进行实例化。
   ③ 若一个helper函数只会在某些操作数长度中用到，可以在xxx-template.h中通过条件编译的功能来指定（可以参考nemu/src/cpu/exec/data-mov/xchg-template.h中的xchg_a2r指令类型）。
   ④ 必要时通过宏make_helper_v()定义相应的重载函数，根据指令的操作数长度前缀确定调用哪一个helper函数。
   

3. 编写指令头文件xxx.h，声明helper函数的原型。

4. 在nemu/src/cpu/exec/all-instr.h中包含xxx.h。

5. 在nemu/src/cpu/exec/exec.c中的opcode_table中填写相应的helper函数