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<ul class="summary">
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<a href="index.html">
Introduction
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</li>
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<a href="PA0.html">
PA0 - 世界诞生的前夜: 开发环境配置
</a>
<ul class="articles">
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<a href="0.1.html">
Installing GNU/Linux
</a>
</li>
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<a href="0.2.html">
First Exploration with GNU/Linux
</a>
</li>
<li class="chapter " data-level="1.2.3" data-path="0.3.html">
<a href="0.3.html">
Installing Tools
</a>
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<a href="0.4.html">
Configuring vim
</a>
</li>
<li class="chapter " data-level="1.2.5" data-path="0.5.html">
<a href="0.5.html">
More Exploration
</a>
</li>
<li class="chapter " data-level="1.2.6" data-path="0.6.html">
<a href="0.6.html">
Getting Source Code for PAs
</a>
</li>
</ul>
</li>
<li class="chapter " data-level="1.3" data-path="PA1.html">
<a href="PA1.html">
PA1 - 开天辟地的篇章: 最简单的计算机
</a>
<ul class="articles">
<li class="chapter " data-level="1.3.1" data-path="1.1.html">
<a href="1.1.html">
在开始愉快的PA之旅之前
</a>
</li>
<li class="chapter " data-level="1.3.2" data-path="1.2.html">
<a href="1.2.html">
开天辟地的篇章
</a>
</li>
<li class="chapter active" data-level="1.3.3" data-path="1.3.html">
<a href="1.3.html">
RTFSC
</a>
</li>
<li class="chapter " data-level="1.3.4" data-path="1.4.html">
<a href="1.4.html">
基础设施
</a>
</li>
<li class="chapter " data-level="1.3.5" data-path="1.5.html">
<a href="1.5.html">
表达式求值
</a>
</li>
<li class="chapter " data-level="1.3.6" data-path="1.6.html">
<a href="1.6.html">
监视点
</a>
</li>
<li class="chapter " data-level="1.3.7" data-path="1.7.html">
<a href="1.7.html">
如何阅读手册
</a>
</li>
</ul>
</li>
<li class="chapter " data-level="1.4" data-path="PA2.html">
<a href="PA2.html">
PA2 - 简单复杂的机器: 冯诺依曼计算机系统
</a>
<ul class="articles">
<li class="chapter " data-level="1.4.1" data-path="2.1.html">
<a href="2.1.html">
不停计算的机器
</a>
</li>
<li class="chapter " data-level="1.4.2" data-path="2.2.html">
<a href="2.2.html">
RTFSC(2)
</a>
</li>
<li class="chapter " data-level="1.4.3" data-path="2.3.html">
<a href="2.3.html">
程序, 运行时环境与AM
</a>
</li>
<li class="chapter " data-level="1.4.4" data-path="2.4.html">
<a href="2.4.html">
基础设施(2)
</a>
</li>
<li class="chapter " data-level="1.4.5" data-path="2.5.html">
<a href="2.5.html">
输入输出
</a>
</li>
</ul>
</li>
<li class="chapter " data-level="1.5" data-path="PA3.html">
<a href="PA3.html">
PA3 - 穿越时空的旅程: 批处理系统
</a>
<ul class="articles">
<li class="chapter " data-level="1.5.1" data-path="3.1.html">
<a href="3.1.html">
最简单的操作系统
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<li class="chapter " data-level="1.5.2" data-path="3.2.html">
<a href="3.2.html">
穿越时空的旅程
</a>
</li>
<li class="chapter " data-level="1.5.3" data-path="3.3.html">
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用户程序和系统调用
</a>
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<li class="chapter " data-level="1.5.4" data-path="3.4.html">
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文件系统
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精彩纷呈的应用程序
</a>
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NEMU ISA相关API说明文档
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<div class="book-header" role="navigation">
<!-- Title -->
<h1>
<i class="fa fa-circle-o-notch fa-spin"></i>
<a href="." >RTFSC</a>
</h1>
</div>
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<div class="page-inner">
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<div class="search-noresults">
<section class="normal markdown-section">
<h2 id="rtfsc">RTFSC</h2>
<p>事实上, TRM的实现是如此的简单, 以至于框架代码已经实现它了.
接下来让我们看看, 构成TRM的那些数字电路, 在NEMU的C代码中都是何方神圣.
为了方便叙述, 我们将在NEMU中模拟的计算机称为"客户(guest)计算机",
在NEMU中运行的程序称为"客户程序".</p>
<h3 id="框架代码初探">框架代码初探</h3>
<p>框架代码内容众多, 其中包含了很多在后续阶段中才使用的代码.
随着实验进度的推进, 我们会逐渐解释所有的代码.
<font color="red">因此在阅读代码的时候, 你只需要关心和当前进度相关的模块就可以了,
不要纠缠于和当前进度无关的代码, 否则将会给你的心灵带来不必要的恐惧.</font></p>
<pre><code>ics2024
├── abstract-machine # 抽象计算机
├── am-kernels # 基于抽象计算机开发的应用程序
├── fceux-am # 红白机模拟器
├── init.sh # 初始化脚本
├── Makefile # 用于工程打包提交
├── nemu # NEMU
└── README.md
</code></pre><p>目前我们只需要关心NEMU子项目中的内容, 其它子项目会在将来进行介绍.
NEMU主要由4个模块构成: monitor, CPU, memory, 设备.
我们已经在上一小节简单介绍了CPU和memory的功能, 设备会在PA2中介绍, 目前不必关心.</p>
<p>Monitor(监视器)模块是为了方便地监控客户计算机的运行状态而引入的.
它除了负责与GNU/Linux进行交互(例如读入客户程序)之外,
还带有调试器的功能, 为NEMU的调试提供了方便的途径.
从概念上来说, monitor并不属于一个计算机的必要组成部分, 但对NEMU来说, 它是必要的基础设施.
如果缺少monitor模块, 对NEMU的调试将会变得十分困难.</p>
<p>代码中<code>nemu/</code>目录下的源文件组织如下(并未列出所有文件):</p>
<pre><code>nemu
├── configs # 预先提供的一些配置文件
├── include # 存放全局使用的头文件
│ ├── common.h # 公用的头文件
│ ├── config # 配置系统生成的头文件, 用于维护配置选项更新的时间戳
│ ├── cpu
│ │ ├── cpu.h
│ │ ├── decode.h # 译码相关
│ │ ├── difftest.h
│ │ └── ifetch.h # 取指相关
│ ├── debug.h # 一些方便调试用的宏
│ ├── device # 设备相关
│ ├── difftest-def.h
│ ├── generated
│ │ └── autoconf.h # 配置系统生成的头文件, 用于根据配置信息定义相关的宏
│ ├── isa.h # ISA相关
│ ├── macro.h # 一些方便的宏定义
│ ├── memory # 访问内存相关
│ └── utils.h
├── Kconfig # 配置信息管理的规则
├── Makefile # Makefile构建脚本
├── README.md
├── resource # 一些辅助资源
├── scripts # Makefile构建脚本
│ ├── build.mk
│ ├── config.mk
│ ├── git.mk # git版本控制相关
│ └── native.mk
├── src # 源文件
│ ├── cpu
│ │ └── cpu-exec.c # 指令执行的主循环
│ ├── device # 设备相关
│ ├── engine
│ │ └── interpreter # 解释器的实现
│ ├── filelist.mk
│ ├── isa # ISA相关的实现
│ │ ├── mips32
│ │ ├── riscv32
│ │ ├── riscv64
│ │ └── x86
│ ├── memory # 内存访问的实现
│ ├── monitor
│ │ ├── monitor.c
│ │ └── sdb # 简易调试器
│ │ ├── expr.c # 表达式求值的实现
│ │ ├── sdb.c # 简易调试器的命令处理
│ │ └── watchpoint.c # 监视点的实现
│ ├── nemu-main.c # 你知道的...
│ └── utils # 一些公共的功能
│ ├── log.c # 日志文件相关
│ ├── rand.c
│ ├── state.c
│ └── timer.c
└── tools # 一些工具
├── fixdep # 依赖修复, 配合配置系统进行使用
├── gen-expr
├── kconfig # 配置系统
├── kvm-diff
├── qemu-diff
└── spike-diff
</code></pre><p>为了支持不同的ISA, 框架代码把NEMU分成两部分: ISA无关的基本框架和ISA相关的具体实现.
NEMU把ISA相关的代码专门放在<code>nemu/src/isa/</code>目录下,
并通过<code>nemu/include/isa.h</code>提供ISA相关API的声明.
这样以后, <code>nemu/src/isa/</code>之外的其它代码就展示了NEMU的基本框架.
这样做有两点好处:</p>
<ul>
<li>有助于我们认识不同ISA的共同点: 无论是哪种ISA的客户计算机, 它们都具有相同的基本框架</li>
<li>体现抽象的思想: 框架代码将ISA之间的差异抽象成API, 基本框架会调用这些API, 从而无需关心ISA的具体细节.
如果你将来打算选择一个不同的ISA来进行二周目的攻略,
你就能明显体会到抽象的好处了: 基本框架的代码完全不用修改!</li>
</ul>
<p><a href="nemu-isa-api.html">这个页面</a>对上述API进行了整理, 供将来查阅使用, 目前你无需完全明白它们的作用.
"抽象"是计算机系统中一个非常重要的概念, 如果你现在不明白抽象的意义,
不必担心, 在PA的后续内容中, 你会一次又一次地遇到它.</p>
<p>大致了解上述的目录树之后, 你就可以开始阅读代码了.
至于从哪里开始, 就不用多费口舌了吧.</p>
<div class="panel panel-info"><div class="panel-heading"><h5 class="panel-title" id="需要多费口舌吗"><i class="fa fa-question-circle"></i> 需要多费口舌吗?</h5></div><div class="panel-body"><p>嗯... 如果你觉得提示还不够, 那就来一个劲爆的:
回忆程序设计课的内容, 一个程序从哪里开始执行呢?</p><p>如果你不屑于回答这个问题, 不妨先冷静下来.
其实这是一个值得探究的问题, 你会在将来重新审视它.</p></div></div>
<h3 id="配置系统和项目构建">配置系统和项目构建</h3>
<p>在真正开始阅读代码之前, 我们先来简单介绍一下NEMU项目中的配置系统和项目构建.</p>
<h4 id="配置系统kconfig">配置系统kconfig</h4>
<p>在一个有一定规模的项目中, 可配置选项的数量可能会非常多, 而且配置选项之间可能会存在关联,
比如打开配置选项A之后, 配置选项B就必须是某个值.
直接让开发者去管理这些配置选项是很容易出错的,
比如修改选项A之后, 可能会忘记修改和选项A有关联的选项B.
配置系统的出现则是为了解决这个问题.</p>
<p>NEMU中的配置系统位于<code>nemu/tools/kconfig</code>, 它来源于GNU/Linux项目中的kconfig, 我们进行了少量简化.
kconfig定义了一套简单的语言, 开发者可以使用这套语言来编写"配置描述文件".
在"配置描述文件"中, 开发者可以描述:</p>
<ul>
<li>配置选项的属性, 包括类型, 默认值等</li>
<li>不同配置选项之间的关系</li>
<li>配置选项的层次关系</li>
</ul>
<p>在NEMU项目中, "配置描述文件"的文件名都为<code>Kconfig</code>, 如<code>nemu/Kconfig</code>.
当你键入<code>make menuconfig</code>的时候, 背后其实发生了如下事件:</p>
<ul>
<li>检查<code>nemu/tools/kconfig/build/mconf</code>程序是否存在, 若不存在, 则编译并生成<code>mconf</code></li>
<li>检查<code>nemu/tools/kconfig/build/conf</code>程序是否存在, 若不存在, 则编译并生成<code>conf</code></li>
<li>运行命令<code>mconf nemu/Kconfig</code>, 此时<code>mconf</code>将会解析<code>nemu/Kconfig</code>中的描述,
以菜单树的形式展示各种配置选项, 供开发者进行选择</li>
<li>退出菜单时, <code>mconf</code>会把开发者选择的结果记录到<code>nemu/.config</code>文件中</li>
<li>运行命令<code>conf --syncconfig nemu/Kconfig</code>, 此时<code>conf</code>将会解析<code>nemu/Kconfig</code>中的描述,
并读取选择结果<code>nemu/.config</code>, 结合两者来生成如下文件:<ul>
<li>可以被包含到C代码中的宏定义(<code>nemu/include/generated/autoconf.h</code>),
这些宏的名称都是形如<code>CONFIG_xxx</code>的形式</li>
<li>可以被包含到Makefile中的变量定义(<code>nemu/include/config/auto.conf</code>)</li>
<li>可以被包含到Makefile中的, 和"配置描述文件"相关的依赖规则(<code>nemu/include/config/auto.conf.cmd</code>),
为了阅读代码, 我们可以不必关心它</li>
<li>通过时间戳来维护配置选项变化的目录树<code>nemu/include/config/</code>,
它会配合另一个工具<code>nemu/tools/fixdep</code>来使用, 用于在更新配置选项后节省不必要的文件编译,
为了阅读代码, 我们可以不必关心它</li>
</ul>
</li>
</ul>
<p>所以, 目前我们只需要关心配置系统生成的如下文件:</p>
<ul>
<li><code>nemu/include/generated/autoconf.h</code>, 阅读C代码时使用</li>
<li><code>nemu/include/config/auto.conf</code>, 阅读Makefile时使用</li>
</ul>
<h4 id="项目构建和makefile">项目构建和Makefile</h4>
<p>NEMU的Makefile会稍微复杂一些, 它具备如下功能:</p>
<h5 id="与配置系统进行关联">与配置系统进行关联</h5>
<p>通过包含<code>nemu/include/config/auto.conf</code>, 与kconfig生成的变量进行关联.
因此在通过menuconfig更新配置选项后, Makefile的行为可能也会有所变化.</p>
<h5 id="文件列表filelist">文件列表(filelist)</h5>
<p>通过文件列表(filelist)决定最终参与编译的源文件.
在<code>nemu/src</code>及其子目录下存在一些名为<code>filelist.mk</code>的文件,
它们会根据menuconfig的配置对如下4个变量进行维护:</p>
<ul>
<li><code>SRCS-y</code> - 参与编译的源文件的候选集合</li>
<li><code>SRCS-BLACKLIST-y</code> - 不参与编译的源文件的黑名单集合</li>
<li><code>DIRS-y</code> - 参与编译的目录集合, 该目录下的所有文件都会被加入到<code>SRCS-y</code>中</li>
<li><code>DIRS-BLACKLIST-y</code> - 不参与编译的目录集合, 该目录下的所有文件都会被加入到<code>SRCS-BLACKLIST-y</code>中</li>
</ul>
<p>Makefile会包含项目中的所有<code>filelist.mk</code>文件, 对上述4个变量的追加定义进行汇总,
最终会过滤出在<code>SRCS-y</code>中但不在<code>SRCS-BLACKLIST-y</code>中的源文件,
来作为最终参与编译的源文件的集合.</p>
<p>上述4个变量还可以与menuconfig的配置结果中的布尔选项进行关联,
例如<code>DIRS-BLACKLIST-$(CONFIG_TARGET_AM) += src/monitor/sdb</code>,
当我们在menuconfig中选择了<code>TARGET_AM</code>相关的布尔选项时,
kconfig最终会在<code>nemu/include/config/auto.conf</code>中生成形如<code>CONFIG_TARGET_AM=y</code>的代码,
对变量进行展开后将会得到<code>DIRS-BLACKLIST-y += src/monitor/sdb</code>;
当我们在menuconfig中未选择<code>TARGET_AM</code>相关的布尔选项时,
kconfig将会生成形如<code>CONFIG_TARGET_AM=n</code>的代码, 或者未对<code>CONFIG_TARGET_AM</code>进行定义,
此时将会得到<code>DIRS-BLACKLIST-n += src/monitor/sdb</code>,
或者<code>DIRS-BLACKLIST- += src/monitor/sdb</code>,
这两种情况都不会影响<code>DIRS-BLACKLIST-y</code>的值, 从而实现了如下效果:</p>
<pre><code>在menuconfig中选中TARGET_AM时, nemu/src/monitor/sdb目录下的所有文件都不会参与编译.
</code></pre><h5 id="编译和链接">编译和链接</h5>
<p>Makefile的编译规则在<code>nemu/scripts/build.mk</code>中定义:</p>
<pre><code class="lang-makefile">$(OBJ_DIR)/%.o: %.c
@echo + CC $<
@mkdir -p $(dir $@)
@$(CC) $(CFLAGS) -c -o $@ $<
$(call call_fixdep, $(@:.o=.d), $@)
</code></pre>
<p>其中关于<code>$@</code>和<code>$<</code>等符号的含义, 可以RTFM进行了解.
<code>call_fixdep</code>的调用用于生成更合理的依赖关系,
目前我们主要关注编译的命令, 因此可以先忽略<code>call_fixdep</code>.</p>
<p>我们可以先查看<code>make</code>过程中都运行了哪些命令, 然后反过来理解<code>$(CFLAGS)</code>等变量的值.
为此, 我们可以键入<code>make -nB</code>, 它会让<code>make</code>程序以"只输出命令但不执行"的方式强制构建目标.
运行后, 你可以看到很多形如</p>
<pre><code>gcc -O2 -MMD -Wall -Werror -I/home/user/ics2024/nemu/include
-I/home/user/ics2024/nemu/src/engine/interpreter -I/home/use
r/ics2024/nemu/src/isa/riscv32/include -O2 -D__GUEST_ISA__
=riscv32 -c -o /home/user/ics2024/nemu/build/obj-riscv32-nem
u-interpreter/src/utils/timer.o src/utils/timer.c
</code></pre><p>的输出, 这样你就很容易理解上述Makefile变量的值了:</p>
<pre><code>$(CC) -> gcc
$@ -> /home/user/ics2024/nemu/build/obj-riscv32-nemu-interpreter/src/utils/timer.o
$< -> src/utils/timer.c
$(CFLAGS) -> 剩下的内容
</code></pre><p>于是你就可以根据上述输出结果和Makefile反推<code>$(CFLAGS)</code>的值是如何形成的.
因为编译每个文件的命令都很类似, 当你理解了一个源文件的编译之后,
你就能类推到其它源文件的编译过程了. 同理, 你也可以按照上述方法理解最后的链接命令.</p>
<h3 id="准备第一个客户程序">准备第一个客户程序</h3>
<p>我们已经知道, NEMU是一个用来执行客户程序的程序, 但客户程序一开始并不存在于客户计算机中.
我们需要将客户程序读入到客户计算机中, 这件事是monitor来负责的.
于是NEMU在开始运行的时候, 首先会调用<code>init_monitor()</code>函数(在<code>nemu/src/monitor/monitor.c</code>中定义)
来进行一些和monitor相关的初始化工作.</p>
<div class="panel panel-info"><div class="panel-heading"><h5 class="panel-title" id="kconfig生成的宏与条件编译"><i class="fa fa-question-circle"></i> kconfig生成的宏与条件编译</h5></div><div class="panel-body"><p>我们已经在上文提到过, kconfig会根据配置选项的结果在
<code>nemu/include/generated/autoconf.h</code>中定义一些形如<code>CONFIG_xxx</code>的宏,
我们可以在C代码中通过条件编译的功能对这些宏进行测试, 来判断是否编译某些代码.
例如, 当<code>CONFIG_DEVICE</code>这个宏没有定义时, 设备相关的代码就无需进行编译.</p><p>为了编写更紧凑的代码, 我们在<code>nemu/include/macro.h</code>中定义了一些专门用来对宏进行测试的宏.
例如<code>IFDEF(CONFIG_DEVICE, init_device());</code>表示,
如果定义了<code>CONFIG_DEVICE</code>, 才会调用<code>init_device()</code>函数;
而<code>MUXDEF(CONFIG_TRACE, "ON", "OFF")</code>则表示, 如果定义了<code>CONFIG_TRACE</code>,
则预处理结果为<code>"ON"</code>(<code>"OFF"</code>在预处理后会消失), 否则预处理结果为<code>"OFF"</code>.</p><p>这些宏的功能非常神奇, 你知道这些宏是如何工作的吗?</p></div></div>
<!-- -->
<div class="panel panel-info"><div class="panel-heading"><h5 class="panel-title" id="为什么全部都是函数"><i class="fa fa-question-circle"></i> 为什么全部都是函数?</h5></div><div class="panel-body"><p>阅读<code>init_monitor()</code>函数的代码, 你会发现里面全部都是函数调用.
按道理, 把相应的函数体在<code>init_monitor()</code>中展开也不影响代码的正确性.
相比之下, 在这里使用函数有什么好处呢?</p></div></div>
<p>我们对这些初始化工作进行一些说明. <code>parse_args()</code>, <code>init_rand()</code>,
<code>init_log()</code>和<code>init_mem()</code>并没有什么深奥的内容, 直接RTFSC就行.</p>
<div class="panel panel-success"><div class="panel-heading"><h5 class="panel-title" id="参数的处理过程"><i class="fa fa-lightbulb-o"></i> 参数的处理过程</h5></div><div class="panel-body"><p><code>parse_args()</code>中调用了一个你也许不太熟悉的函数<code>getopt_long()</code>,
框架代码通过它来对参数进行解析, 具体的行为可以查阅<code>man 3 getopt_long</code>.</p></div></div>
<!-- -->
<div class="panel panel-info"><div class="panel-heading"><h5 class="panel-title" id="参数的处理过程"><i class="fa fa-question-circle"></i> 参数的处理过程</h5></div><div class="panel-body"><p>另外的一个问题是, 这些参数是从哪里来的呢?</p></div></div>
<p>接下来monitor会调用<code>init_isa()</code>函数(在<code>nemu/src/isa/$ISA/init.c</code>中定义),
来进行一些ISA相关的初始化工作.</p>
<p>第一项工作就是将一个内置的客户程序读入到内存中.
为了理解这项工作, 我们还需要理清三个问题:</p>
<ol>
<li><p>客户程序是什么?
我们知道, 程序是由指令构成的,
而不同ISA的指令也各不相同(想象一下用不同的语言来表达"你好"的意思),
因而程序本身肯定是ISA相关的.
因此, 我们把内置客户程序放在<code>nemu/src/isa/$ISA/init.c</code>中.
内置客户程序的行为非常简单, 它只包含少数几条指令, 甚至算不上在做一些有意义的事情.</p>
</li>
<li><p>内存是什么?
我们可以把内存看作一段连续的存储空间, 而内存又是字节编址的(即一个内存位置存放一个字节的数据),
在C语言中我们就很自然地使用一个<code>uint8_t</code>类型的数组来对内存进行模拟.
NEMU默认为客户计算机提供128MB的物理内存(见<code>nemu/src/memory/paddr.c</code>中定义的<code>pmem</code>),</p>
</li>
<li><p>需要将客户程序读入到内存的什么位置?
为了让客户计算机的CPU可以执行客户程序,