从0开始做PA-Day06

So Far…

目前为止, 我们在软件层面模拟出了一整套支持Risc-V32指令集的硬件系统, 包括CPU, 内存, 和寄存器. 有了这样一套硬件系统, 我们就能够在这样一台计算机上完成一系列基础的计算. 这样一台能进行各种计算的计算机被称为图灵机(Turing Machine, TRM)

以下是一些测试, 用以证明指令集实现的正确性.

以下是一些测试, 用以证明C程序在该机器上执行的正确性(这里详细介绍了程序是如何执行的).

如何Debug? 在PA中, 我们能使用在PA1中实现的简易调试器sdb对出错的程序进行调试, 然而, 这些程序出错的原因并不是其本身代码有错, 而是我们底层的指令集行为有错误. 因此, 在调试时, 我们需要通过单步执行si确认出错的指令, 再通过p读取寄存器或内存中的值, 发现于预期的差异, 从而对底层的指令实现进行改进.

可以看到虽然我们已经正确实现了所有指令集中的指令, 但是仍然不能正确执行所有的程序. 这是为什么呢?

有没有什么办法让我们的计算机更强大呢?

Abstract Machine

写过程序的同学们都知道, 在我们的程序中, 除了自己写的函数之外, 我们通常必须要调用一些库函数. 库(Library)是在编写程序的过程中所必要的软件资源的集合, 它们有的是对语言的扩展, 使程序员不必反复编写一些常用功能(如python中的numpy, pandas); 有些则是将底层操作系统或硬件的功能进行封装, 以接口的形式向程序员提供与计算机本身交互的能力.

为什么要有库呢? 让我们试想一个没有库函数的世界. 首先, 要是没用库, 程序员则需要浪费大量时间反复实现一些基础的功能(如快速排序, 二叉搜索树); 更严重的是, 由于部分库函数需要与底层操作系统或硬件进行交互, 因此它们在不同平台上的实现是不同的, 这也会导致程序员必须为不同平台编写不同的代码, 极大增加了工作量和代码的维护难度.

以Windows系统为例, 大家有时下载了软件后会发现文件夹中有一堆.dll为后缀名的文件, 这些文件就是动态链接库, 其中就包含了运行软件所需要库, 为它们提供了运行时环境, 要是将这些文件删除就会导致错误. (大家要是不放心霍霍自己的软件的话, 可以去这里下载一个我大一期间做的小游戏, 用里面的动态链接库做做实验吧!)

让我们看看出错的两个程序hello-str.c和string.c. 以string.c为例, 其代码如下:

  1 #include "trap.h"
  2
  3 char *s[] = {
  4   "aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa",
  5   "aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaab",
  6   "aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa",
  7   ", World!\n",
  8   "Hello, World!\n",
  9   "#####"
 10 };
 11
 12 char str1[] = "Hello";
 13 char str[20];
 14
 15 int main() {
 16   check(strcmp(s[0], s[2]) == 0);
 17   check(strcmp(s[0], s[1]) < 0);
 18   check(strcmp(s[0] + 1, s[1] + 1) < 0);
 19   check(strcmp(s[0] + 2, s[1] + 2) < 0);
 20   check(strcmp(s[0] + 3, s[1] + 3) < 0);
 21
 22   check(strcmp( strcat(strcpy(str, str1), s[3]), s[4]) == 0);
 23
 24   check(memcmp(memset(str, '#', 5), s[5], 5) == 0);
 25
 26   return 0;
 27 }

其中check函数是用于判断实现正确性的函数, 这里我们可以不用管他. 可以注意到的是, 代码中有诸多如strcmp, strcat等函数, 这些函数都来自string这个C标准库. 然而, 由于这段代码是在我自己写的RiscV32-nemu平台上运行的, 因此, 我必须自行实现这些库函数.

Abstract Machine是PA中提供的另一个项目, 其中包含了在nemu上运行程序所需的运行时环境.

NEMU提供硬件功能 --> AM提供程序运行时环境 --> 运行程序

从今天开始, 我们的工作将变为逐步丰富AM的内容, 从而使我们的机器变得更加强大.

在实现了string.c和stdio.c的部分之后, 之前通不过的测试点也通过啦~

耶!