NEMU PA1实验思路

NEMU PA1实验思路

版权归zzy所有，不许外传！

本文主要是提供PA1思路，为了避免踩了一堆坑而浪费时间。若想copy代码请移步他处，本文仅供学习交流用，谢谢！

阅读前请确保仔细阅读了PA1实验指导书的有关内容！

必做任务1 实现正确的寄存器结构体

需要了解结构体和联合体的概念，保证gpr[i]对应第i个寄存器即可。

NEMU/nemu/include/cpu/reg.h修改如下

typedef struct {
	union {
		union {
			uint32_t _32;
			uint16_t _16;
			uint8_t _8[2];
		} gpr[8];
		struct {
			uint32_t eax, ecx, edx, ebx, esp, ebp, esi, edi;
		};
	};
	swaddr_t eip;

} CPU_state;

必做任务 2：实现单步执行、打印寄存器、扫描内存

首先模仿给的几个指令把这三个指令填入cmd_table中，关于args参数转成int的方法，手册中有写。注意有些后面需要参数的指令需要判断参数是否输入完整。

单步执行si

阅读cmd_c，可知程序运行在cpu_exec()函数中，-1转成无符号数即为最大能表示的数，所以程序会全部执行完。我们只需要把-1改成si后面的参数即可。（si后面的参数默认不能大于等于10）

static int cmd_si(char *args) {
	int step;
	if (args == NULL) step = 1;
	else sscanf(args, "%d", &step);
	cpu_exec(step);
	return 0;
}

打印寄存器

前面实现的寄存器如何打印出来呢？一种方法是直接打印gpr数组，另一种方式是利用enum数组，在NEMU/nemu/include/cpu/reg.h里：

enum { R_EAX, R_ECX, R_EDX, R_EBX, R_ESP, R_EBP, R_ESI, R_EDI };

同时利用文件最下面这些实现求值：

#define reg_l(index) (cpu.gpr[check_reg_index(index)]._32)
#define reg_w(index) (cpu.gpr[check_reg_index(index)]._16)
#define reg_b(index) (cpu.gpr[check_reg_index(index) & 0x3]._8[index >> 2])

extern const char* regsl[];
extern const char* regsw[];
extern const char* regsb[];

看不懂上面啥意思？利用CTags进行函数跳转！如果用vscode或者sublime建议搜索相关CTags拓展包并安装！

注：CTags很重要！！！！！

最终实现代码如下：（千万别忘了打印$eip这个寄存器！）

static int cmd_info(char *args) {
	if (args[0] == 'r') {
		int i;
		for (i = R_EAX; i <= R_EDI ; i++) {
			printf("$%s\t0x%08x\n", regsl[i], reg_l(i));
		}
		printf("$eip\t0x%08x\n", cpu.eip);
	}
	return 0;
}

另外，printf("0x%8x")表示输出一个十六进制数，其中开头为0x，数字为8位，不足8位用0补齐。

扫描内存

找到swaddr_read函数，该函数实现了地址的读取功能，通过阅读代码知道其意思，其他的很显然了。

记得阅读代码！

static int cmd_x(char *args){
	if (args == NULL) {
        printf("Wrong Command!\n");
        return 0;
    }
	int num,exprs;
	sscanf(args,"%d%x",&num,&exprs);
	int i;
	for (i = 0;i < N;i ++){
		printf("0x%8x  0x%x\n",exprs + i*32,swaddr_read(exprs + i * 32,32));
	}
	return 0;
}

必做任务 3：实现算术表达式的词法分析

首先，要在expr.c文件的rule结构体中添加正则表达式，同时对于一些特定的类型写在enum里，比如截取的这两个：

{"\\b[0-9]+\\b", NUMBER},
{"-", "-"},

NUMBER就需要写在enum中。

词法分析在make_token函数中，有一个TODO标明了你要写的地方。这里我们只需要分是否为空格两种情况来写即可。如果通过正则表达式读入的是若干空格，则不存入tokens数组中，否则将其存放在数组中。

这里有一些很好的字符串有关的函数，在PA1中经常用到：strlen,strcmp,strcpy，strncpy，自行查阅功能及用法，同时要注意char*类型如何截取，以及复制后末尾\0的影响。

大致截取过程如下：

char *substr_start = e + position;
int substr_len = pmatch.rm_eo;
strncpy(tokens[nr_token].str, substr_start, substr_len);

全部代码在这里就不贴出了~

必做 4：实现算术表达式的递归求值

根据实验指导书“递归求值”部分，我们可以知道下一步要实现的函数结构如下：

eval(p,q){
    if (p > q){
        ...
    }
    else if (p == q){
        ...
    }
    else if (check_parentheses(p, q) == true){
        ...
        return eval(p + 1, q - 1);
    }
    else {
        ...
    }
}

eval是一个递归函数，用来求值，其中若p>q则显然不符合，直接跳出循环；若p==q则说明该位置应当是一个数值，直接判断tokens[p].type类型然后用sscanf转成数字返回就行。

那么对于p<q，又有两种情况，先要进行括号判断，即如果当前p到q区间类似于(1+2)情况，需要将括号去掉，取中间1+2递归计算值；如果不满足，则需要找到“主符号”（dominant operator）。

对于主符号的定义，你可以理解为是从右往左出现的第一个优先级最低的符号，因为它需要最后计算。比如1+2*3-4的主符号是-。由于在这个阶段只需要实现四则运算，所以优先级的概念可以模糊，只要认为+和-优先级低于*和/就行。

找到之后递归求出左右区间的值，再用switch进行计算值即可，具体框架已经在指导书中已经写得十分详细了。

需要注意，在check_parentheses()函数中不要把形如(1+2)*(3+4)的两边的括号匹配上，否则就会出错！

Tip：check_parentheses()的实现利用循环从左往右遍历，进行左括号计数，遇到左括号加一，右括号减一，来判断两者是否匹配。

最后记得修改cmd_p使其可以计算表达式！

选做任务 1：实现带有负数的算术表达式的求值

区分负号和减号其实十分简单，因为当-被认为是负号，只有可能是以下情况：它是算式的第一个符号、它前面不是数字且它前面不是右括号（后续还有它前面不是寄存器或十六进制数）。

所以我们只需要make_token执行完了后，将tokens数组遍历一遍，将所有应当为负号的-的type修改掉即可。

在eval函数中，若识别到了负号是主符号（这个时候就得考虑负号优先级了），那么其必定没有左半边了，只有右半边，故此时直接将右边的表达式的值乘以-1后返回即可。

必做任务 5：实现更复杂的表达式求值

这个时候就得实现更复杂的表达式了，首先应当了解符号优先级。符号优先级表如下：（该表中优先级越大表示越后计算，即优先级大的为主符号）

在从右往左找主符号时，记录下当前最大的优先级和该优先级第一次出现的位置。

特别的是，如果找到的主符号是优先级为2的时候，由于其是单目运算符，结合性与其他的相反，所以此时需要再从左往右扫描一遍，找到最左边的符号即为主符号。比如，-!1的主符号为-而不是!。

然后是正则表达式的问题。程序默认按rules[]中从上到下的顺序扫描匹配，所以正则表达式的顺序至关重要，比如对于&&必须放在&上面，否则将无法被识别。寄存器和十六进制数均可出现大写小写形式，正则表达式都得将其考虑进去，即$eax和$EAX都能被识别，0xaf、0Xaf、0xAF均能被识别。为了方便后面计算，建议将读入进来的内容全部转成小写。

当求寄存器的值的时候，我们应当利用前面打印寄存器的char数组和去除$符号的内容进行逐个比较，下面给出比较32位寄存器的代码片段：

int i;
for (i = R_EAX; i <= R_EDI ; i ++) {
    if (strcmp(tokens[l].str, regsl[i]) == 0) {
        break;
    }
}
if (i > R_EDI) {
    if (strcmp(tokens[l].str, "eip") == 0) {
        num = cpu.eip;
    }
} else return num = reg_l(i);

对于16位和8位寄存器的比较与之类似。

选做任务 2：实现指针解引用

这个就和前面负号的实现基本一模一样，不再赘述，指针解引用的优先级也为2。

必做任务 6：实现监视点池的管理

监视点的实现主要是链表的实现，不记得链表的实现建议复习复习。

先在neme\include\monitor\watchpoint.h中补充struct的内容（注明了TODO），因为监视点需要记录某个表达式的值，所以再声明一个char数组来存表达式，uint32_t类型来表示值即可。随后在#endif前加入函数声明：

WP* new_wp();
void free_wp(WP*);

因为这是.h文件，所以实现得去.c文件中实现，后续还要往这里面声明其他函数。

在watchpoint.c文件中完成这两个函数。要在写之前考虑清楚是“头插法”还是“尾插法”，什么时候会出现访问NULL，以及清空监视点时是否清空了该处之前记录的内容。

假设我新声明了一个监视点，如果当前已经存在不止一个监视点，应当这样将该点插入到尾段：（以下代码仅为示例，new_node为新声明的节点，从free_中取出等操作并未写上）

WP *h;
h = head;
while (h -> next != NULL){
h = h -> next;
}
h -> next = new_node;

必做任务 7：实现监视点

cmd_w函数

在声明监视点的时候，若监视点数量达上限（NR_WP = 32），需要提示用户无法声明。

每当申请成功，需要有提示信息，提示该监视点的编号、表达式以及当前的值。

info w函数

需要实现一个遍历所有监视点的函数，相信这个不是很难。然后将监视点的编号、表达式以及当前的值按顺序输出。

cmd_d函数

也是遍历一遍所有监视点，然后找到要删的监视点，将其从head中移去并且重新加入free_中，若成功返回删除成功提示。

监视点的功能的实现

监视点是每当程序执行完某一行汇编语句后，判断是否有表达式的值发生了改变，如果有则将其输出出来，并将程序暂停等待下一个命令。

在cpu-exec.c中有个TODO标明了写判断监视点值是否改变的位置。再写一个遍历函数，这个函数返回一个bool类型，即是否有值发生改变。若有则

nemu_state = STOP;

需要注意的是，在这个函数里，如果监视点的值发生了改变，需要打印出来它的详细信息，即编号、表达式、旧值、新值，然后一定要把旧值更新成新的值！