计算机结构与组成cpu仿真.docx
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计算机结构与组成cpu仿真
Project1
一．问题描述：
这个工程需要编写MIPS汇编语言一个子集的指令解释器.它将实现取指、反汇编,解码,并执行MIPS机器指令。
也就是构建一个缩微的MARS。
二．问题分析：
老师已经给出了一个工程，要求我们在所给文件中添加相应的代码，使sample.dump中的机器码（也就是一串数字）可以实现反汇编，在控制台黑屏中输出汇编指令和寄存器及内存的更新情况。
而且.cpp文件中提供了两个函数disassembled和simulateInstr来分别实现上述功能。
反汇编说明：
在disassembled函数中，我要将数字指令转化为汇编语言，这首先需要对一段数字进行分割，如先取32位数字的前6位为其opcode段等，数字分割是通过左移和右移实现的，具体代码如下：
intopcode,func,rs,rt,rd,shamt,targaddress,immediate;
opcode=instr>>26;
rs=（instr<<6）>>27;
rt=（instr<<11）>>27;
rd=（instr<<16）>>27;
shamt=（instr<<21）>>27;
func=（instr<<26）>>26;
immediate=（instr<<16）>>16;
targaddress=（instr<<6）>>6;
完成数字分割后，就进入具体的指令分析阶段，此步通过if-else语句实现。
如先解析R格式语句，先选出opcode为0的32为指令数字段，再针对具体的func的值为其对上不同的汇编指令，例如opcode=0，func=33表示addu指令：
if（opcode==0）
{
if（func==33）//addu
{
strcat_s（result1,"addu$"）;
strcat_s（result,result1）;
_itoa_s（rd,temp,10）;
strcat_s（result,temp）;
strcat_s（result,",$"）;
_itoa_s（rs,temp,10）;
strcat_s（result,temp）;
strcat_s（result,",$"）;
_itoa_s（rt,temp,10）;
strcat_s（result,temp）;
}
运用strcat函数实现字符串的拼接，itoa_s函数将二进制数变为其他进制数输出，结果便可在黑频上输出如下类似指令：
addu$0,$2,$2
将所有情况的不同opcode和func的值用if-else语句像上面这样表示出来，于是就可以将所有的32位指令数字段解码成汇编代码，但此时的代码只是个空壳而已，需要用下面的simulateInstr函数将不同的指令的pc改变，计算，寄存器和内存的更新表示出来。
在simulateInstr函数中同样也需要对每个32位指令数字段进行划分然后依据不同的opcode和func设置pc，进行计算以及表示寄存器和内存是否被更新。
在这里，寄存器及内存的是否更新使用数字表示，-1代表没有更新，例如addu：
if（opcode==0）
{
if（func==33）//addu
{
mips->pc=mips->pc+4;
mips->registers[rd]=mips->registers[rt]+mips->registers[rs];
if（rd==0）
rd=-1;
*changedReg=rd;
*changedMem=-1;
}
其中pc会顺序加4，内存没有改变，但addu所加的结果被存在rd寄存器中，所以rd寄存器会更新。
将所有指令的实质改变按此方法用if-else语句表示出来后，该工程也就完成了。
三．所遇问题及改进方案：
（1）在编程过程中，我开始不知道该怎么样实现数据的符号扩展，因为我对32位数据采用的是左移右移方法来实现指令分割的，这就相对于对所有字段都进行的是零扩展，这对于addi，lw，sw指令中需要进行符号扩展的立即数来说显然矛盾。
后来，在请教同学的基础上，我改进了方法，对于那些只需做零扩展的立即数，不需要做什么改变。
对与addi这类需做符号扩展的立即数，我在相应的if语句中对立即数进行判断，如果立即数小于32768（也就是2的15次方），也就是该立即数的第一位数是0，那么零扩展与符号扩展对该立即数的真实值无影响，也就不需改变什么；反之，则该立即数的第一位数是1，那么必须进行符号扩展，即将该立即数减去65536（2的16次方）即可。
例如sw：
if（opcode==43）//sw
{
strcat_s（result1,"sw$"）;
strcat_s（result,result1）;
_itoa_s（rt,temp,10）;
strcat_s（result,temp）;
strcat_s（result,","）;
if（immediate<32768）
_itoa_s（immediate,temp,10）;
else
_itoa_s（immediate-65536,temp,10）;
strcat_s（result,temp）;
strcat_s（result,"（$"）;
_itoa_s（rs,temp,10）;
strcat_s（result,temp）;
strcat_s（result,"）"）;
}
（2）在simulateInstr函数中对于sw与lw指令，需要对内存中的值进行读取，开始时我只用rs中的地址和立即数相加得到要读或取的内存地址，但这样得不到正确的结果，在同学的提醒下我注意到该程序设计的内存首地址为0x00400000，于是将上面的数减去0x00400000即可得正确结果。
四．以下为源程序代码：
charresult[100]={0};
charresult1[100]={0};
chartemp[100]={0};
char*disassembled（unsignedintinstr,unsignedintpc）{
memset（result,0,100）;
memset（result1,0,100）;
memset（temp,0,100）;
intopcode,func,rs,rt,rd,shamt,targaddress,immediate;
opcode=instr>>26;
rs=（instr<<6）>>27;
rt=（instr<<11）>>27;
rd=（instr<<16）>>27;
shamt=（instr<<21）>>27;
func=（instr<<26）>>26;
immediate=（instr<<16）>>16;
targaddress=（instr<<6）>>6;
if（opcode==0）
{
if（func==35）//subu
{
strcat_s（result1,"subu$"）;
strcat_s（result,result1）;
_itoa_s（rd,temp,10）;
strcat_s（result,temp）;
strcat_s（result,",$"）;
_itoa_s（rs,temp,10）;
strcat_s（result,temp）;
strcat_s（result,",$"）;
_itoa_s（rt,temp,10）;
strcat_s（result,temp）;
}
if（func==33）//addu
{
strcat_s（result1,"addu$"）;
strcat_s（result,result1）;
_itoa_s（rd,temp,10）;
strcat_s（result,temp）;
strcat_s（result,",$"）;
_itoa_s（rs,temp,10）;
strcat_s（result,temp）;
strcat_s（result,",$"）;
_itoa_s（rt,temp,10）;
strcat_s（result,temp）;
}
if（func==36）//and
{
strcat_s（result1,"and$"）;
strcat_s（result,result1）;
_itoa_s（rd,temp,10）;
strcat_s（result,temp）;
strcat_s（result,",$"）;
_itoa_s（rs,temp,10）;
strcat_s（result,temp）;
strcat_s（result,",$"）;
_itoa_s（rt,temp,10）;
strcat_s（result,temp）;
}
if（func==37）//or
{
strcat_s（result1,"or$"）;
strcat_s（result,result1）;
_itoa_s（rd,temp,10）;
strcat_s（result,temp）;
strcat_s（result,",$"）;
_itoa_s（rs,temp,10）;
strcat_s（result,temp）;
strcat_s（result,",$"）;
_itoa_s（rt,temp,10）;
strcat_s（result,temp）;
}
if（func==42）//slt
{
strcat_s（result1,"slt$"）;
strcat_s（result,result1）;
_itoa_s（rd,temp,10）;
strcat_s（result,temp）;
strcat_s（result,",$"）;
_itoa_s（rs,temp,10）;
strcat_s（result,temp）;
strcat_s（result,",$"）;
_itoa_s（rt,temp,10）;
strcat_s（result,temp）;
}
if（func==0）//sll
{
strcat_s（result1,"sll$"）;
strcat_s（result,result1）;
_itoa_s（rd,temp,10）;
strcat_s（result,temp）;
strcat_s（result,",$"）;
_itoa_s（rt,temp,10）;
strcat_s（result,temp）;
strcat_s（result,","）;
_itoa_s（shamt,temp,10）;
strcat_s（result,temp）;
}
if（func==2）//srl
{
strcat_s（result1,"srl$"）;
strcat_s（result,result1）;
_itoa_s（rd,temp,10）;
strcat_s（result,temp）;
strcat_s（result,",$"）;
_itoa_s（rt,temp,10）;
strcat_s（result,temp）;
strcat_s（result,","）;
_itoa_s（shamt,temp,10）;
strcat_s（result,temp）;
}
if（func==8）//jr
{
strcat_s（result1,"jr$"）;
strcat_s（result,result1）;
_itoa_s（rs,temp,10）;
strcat_s（result,temp）;
}
}
if（opcode==9）//addiu
{
strcat_s（result1,"addiu$"）;
strcat_s（result,result1）;
_itoa_s（rt,temp,10）;
strcat_s（result,temp）;
strcat_s（result,",$"）;
_itoa_s（rs,temp,10）;
strcat_s（result,temp）;
strcat_s（result,","）;
if（immediate<32768）
_itoa_s（immediate,temp,10）;
else
_itoa_s（immediate-65536,temp,10）;
strcat_s（result,temp）;
}
if（opcode==12）//andi
{
strcat_s（result1,"andi$"）;
strcat_s（result,result1）;
_itoa_s（rt,temp,10）;
strcat_s（result,temp）;
strcat_s（result,",$"）;
_itoa_s（rs,temp,10）;
strcat_s（result,temp）;
strcat_s（result,",0x"）;
_itoa_s（immediate,temp,16）;
strcat_s（result,temp）;
}
if（opcode==13）//ori
{
strcat_s（result1,"ori$"）;
strcat_s（result,result1）;
_itoa_s（rt,temp,10）;
strcat_s（result,temp）;
strcat_s（result,",$"）;
_itoa_s（rs,temp,10）;
strcat_s（result,temp）;
strcat_s（result,",0x"）;
_itoa_s（immediate,temp,16）;
strcat_s（result,temp）;
}
if（opcode==15）//lui
{
strcat_s（result1,"lui$"）;
strcat_s（result,result1）;
_itoa_s（rt,temp,10）;
strcat_s（result,temp）;
strcat_s（result,",0x"）;
_itoa_s（immediate,temp,16）;
strcat_s（result,temp）;
}
if（opcode==4）//beq
{
strcat_s（result1,"beq$"）;
strcat_s（result,result1）;
_itoa_s（rs,temp,10）;
strcat_s（result,temp）;
strcat_s（result,",$"）;
_itoa_s（rt,temp,10）;
strcat_s（result,temp）;
strcat_s（result,",0x"）;
if（immediate>=32768）
immediate-=65536;
pc=pc+4+immediate*4;
_itoa_s（pc,temp,16）;
strcat_s（result,temp）;
}
if（opcode==5）//bne
{
strcat_s（result1,"bne$"）;
strcat_s（result,result1）;
_itoa_s（rs,temp,10）;
strcat_s（result,temp）;
strcat_s（result,",$"）;
_itoa_s（rt,temp,10）;
strcat_s（result,temp）;
strcat_s（result,",0x"）;
if（immediate>=32768）
immediate-=65536;
pc=pc+4+immediate*4;
_itoa_s（pc,temp,16）;
strcat_s（result,temp）;
}
if（opcode==35）//lw
{
strcat_s（result1,"lw$"）;
strcat_s（result,result1）;
_itoa_s（rt,temp,10）;
strcat_s（result,temp）;
strcat_s（result,","）;
if（immediate<32768）
_itoa_s（immediate,temp,10）;
else
_itoa_s（immediate-65536,temp,10）;
strcat_s（result,temp）;
strcat_s（result,"（$"）;
_itoa_s（rs,temp,10）;
strcat_s（result,temp）;
strcat_s（result,"）"）;
}
if（opcode==43）//sw
{
strcat_s（result1,"sw$"）;
strcat_s（result,result1）;
_itoa_s（rt,temp,10）;
strcat_s（result,temp）;
strcat_s（result,","）;
if（immediate<32768）
_itoa_s（immediate,temp,10）;
else
_itoa_s（immediate-65536,temp,10）;
strcat_s（result,temp）;
strcat_s（result,"（$"）;
_itoa_s（rs,temp,10）;
strcat_s（result,temp）;
strcat_s（result,"）"）;
}
if（opcode==2）//j
{
pc=（（（pc+4）>>28）<<28）+（（targaddress<<6）>>4）;
strcat_s（result1,"j0x"）;
strcat_s（result,result1）;
_itoa_s（pc,temp,16）;
strcat_s（result,temp）;
}
if（opcode==3）//jal
{
pc=（（（pc+4）>>28）<<28）+（（targaddress<<6）>>4）;
strcat_s（result1,"jal0x"）;
strcat_s（result,result1）;
_itoa_s（pc,temp,16）;
strcat_s（result,temp）;
}
returnresult;
voidsimulateInstr（Computermips,unsignedintinstr,int*changedReg,int*changedMem）
{
/*Youreplacethiscodebytherightstuff.*/
intopcode,func,rs,rt,rd,shamt,targaddress,immediate;
opcode=instr>>26;
rs=（instr<<6）>>27;
rt=（instr<<11）>>27;
rd=（instr<<16）>>27;
shamt=（instr<<21）>>27;
func=（instr<<26）>>26;
immediate=（instr<<16）>>16;
targaddress=（instr<<6）>>6;
if（opcode==0）
{
if（func==33）//addu
{
mips->pc=mips->pc+4;
mips->registers[rd]=mips->registers[rt]+mips->registers[rs];
if（rd==0）
rd=-1;
*changedReg=rd;
*changedMem=-1;
}
if（func==35）//subu
{
mips->pc=mips->pc+4;
mips->registers[rd]=mips->registers[rs]+mips->registers[rt];
if（rd==0）
rd=-1;
*changedReg=rd;
*changedMem=-1;
}
if（func==36）//and
{
mips->pc=mips->pc+4;
mips->registers[rd]=mips->registers[rs]&mips->registers[rt];
if（rd==0）
rd=-1;
*changedReg=rd;
*changedMem=-1;
}
if（func==37）//or
{
mips->pc=mips->pc+4;
mips->registers[rd]=mips->registers[rs]|mips->registers[rt];
if（rd==0）
rd=-1;
*changedReg=rd;
*changedMem=-1;
}
if（func==42）//slt
{
mips->pc=mips->pc+4;
if（mips->registers[rs]registers[rt]）
mips->registers[rd]=1;
else
mips->registers[rd]=0;
if（rd==0）
rd=-1;
*changedReg=rd;
*changedMem=-1;
}
if（func==0）/
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