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Introduction to C Programming

Introduction to C Programming. Final Project: LC-3 CPU Control Unit Simulator. 題目簡介. Brief introduction to the project. LC-3 CPU Control Unit. 目標： 用軟體實作 LC-3 CPU 的行為 自 Binary file 讀取指令 依序 Fetch 、 Decode 指令 再來若該指令有需要 Evaluate address 、 Fetch operand 則 Evaluate address 、 Fetch operand

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Presentation Transcript

  1. Introduction to C Programming Final Project: LC-3 CPUControlUnit Simulator

  2. 題目簡介 Briefintroductiontotheproject

  3. LC-3 CPUControlUnit • 目標： • 用軟體實作LC-3 CPU的行為 • 自Binaryfile讀取指令 • 依序Fetch、Decode指令 • 再來若該指令有需要Evaluateaddress、Fetchoperand則Evaluateaddress、Fetchoperand • Execute該指令 • 將結果Store到Register或Memory。

  4. LC-3 CPUControlUnit • 會以輸入一個Binary file的方式作為input（讀取方式可參考C語言Ch8投影片讀取Binary file之方式） • 輸出結果是將每次指令單步執行（PC=PC+1）時，當下Register、Memory的值印出到檔案 • Memory大小是由題目指定的，可使用Array來模擬Memory • 關於LC-3 CPU控制單元的行為請參考LC-3Ch4投影片 • 關於LC-3每種指令的行為請參考LC-3 Ch5投影片 • 我們實際上不會實作全部的指令，要實作哪些指令、有哪些詳細的規格、配分在投影片後面會詳述

  5. 需要模擬的指令 Theinstructionswhichshouldbesimulated

  6. 數學運算指令（70%） • ADD • AND • NOT

  7. Load/Store指令（15%） • LOAD類 • LD • LDI • LDR • LEA • STORE類 • ST • STI • STR

  8. 分支類與軟體中斷指令（15%） • SoftwareInterrupt • TRAP • Return • RET • Unconditionalbranch • JMP • JSR • JSRR • Conditionalbranch • BR(n)(z)(p)

  9. 註：RET指令敘述 摘錄自”IntroductiontoComputerSystems”,PattandPatel,2ndEd.,p536

  10. 備註 • 只有被列出來的指令需要模擬 • 每個指令的行為請參考LC-3投影片的Ch5投影片，但是若Spec上有修改部分指令的行為時，請依照Spec的修改來實作

  11. 實作講解 Hintofimplementation

  12. 實作講解與範例 • 在實作的時候，基本上是按照下面這個流程圖來實作 • Step1：自我們提供的input.bin當中，每16-bit切出一道指令，將檔案中的指令全部收集 • Step2：將剛才收集到的指令依序放入你用軟體模擬的記憶體當中，從0x0030的位置開始依序放入 • Step3&4：模擬CPU行為、並把PC每移動一次時，Register和Memory的值印到檔案中

  13. 如何自Binaryfile讀取指令？ • 真正編譯器編譯出的Binary file除了程式碼外，還會帶有相當多其他的資訊，在這邊就不詳加討論。 • 我們所提供的Binaryfile會是一個相當簡化的Binary file，裡頭只有指令的部份，是以0101的方式儲存，注意不是用純文字的方式儲存，所以你在讀取檔案的時候，必須要用Read Binary File的方式讀取。 • 若你要自Binaryfile當中讀取指令，你要以每16-bit為一個單位切出指令出來，然後把切出來的指令的值存起來，即可切出一道指令。

  14. CPUControlUnit模擬 • 在實作CPUControlUnit的時候，基本上是按照下面這張StateDiagram來用軟體實作，前段是Fetch與移動PC的部份、再來Decode，決定是屬於哪類指令，再來分別實作 圖片取自：”IntroductiontoComputerSystems”,PattandPatel,2ndEd.,投影片Ch4第22頁

  15. 如何看著Ch5的指令敘述用軟體實作？ • 在下面的範例當中，我們假設同學已經完成前段自Binary檔案Load到Memory的部份、Decode OPcode的部份，我們只會給大家看如何看著一個Instruction的描述，來實作其行為。（但同學在實作的時候，前面自Binary檔案Load到Memory的部份、Decode OPcode的部份仍然要自己實作）

  16. 範例：NOT指令 • 假設同學已經DecodeIR[15:12]的OPcode，知道這道指令是NOT，由下面的圖可看出，他是要把Sourceregister裡面的值拿出來取NOT，然後寫回Destinationregister裡。 Note: Src and Dstcould be the same register. 圖片取自：”IntroductiontoComputerSystems”,PattandPatel,2ndEd., 投影片Ch5第6頁

  17. 由於NOT指令只需要Fetch Operand、Execute和Store回RegisterFile，故我們在實作的時候只需要實作這些部分，你可以針對NOT指令的模擬寫一個emu_not如下： • 其中的fetch_not_operand、exec_not、store_not的內容在下幾頁投影片會解釋 • [註]：u16是我們範例程式中自行定義的：typedefunsignedshort，其長度為16-bit

  18. 首先，要先fetch這道指令的Operand，所以我們寫一個fetch_not_operand的函式，輸入參數為該道指令，回傳值為operand，operand是一個structure，裡面包含src1、src2和dst，在這個案例中，因為只有一個source register，所以只填入src1和dst。 • 我們把原本instruction中instr[8:6]的值取出來作為Sourceregister的編號，把instr[11:9]的值取出來作為Destinationregister的編號

  19. 接下來，執行NOT指令應該要做的事情，也就是把Source Register的值取出來，然後做「NOT」邏輯運算，然後回傳回去。

  20. 最後，把NOT邏輯運算出來的結果，寫到RegisterFile當中的DestinationRegister。即完成此指令的行為模擬。最後，把NOT邏輯運算出來的結果，寫到RegisterFile當中的DestinationRegister。即完成此指令的行為模擬。 • [註] 我們有提供NOT指令的範例程式碼片段，你可以直接擷取此部份的程式碼到你自己的程式中，也可以自己實作。但是不論如何，最後Demo的時候你的程式必須也要能執行NOT指令

  21. 題目規格 Spec

  22. Spec • 輸入檔案會是一個簡化後的可執行檔，以二進位儲存資料的一個檔案。 • 你必須先將指令Load進來放到用軟體模擬的Memory的0x0030的地方，將每道指令依序放置（第一道指令在0x0030、第二道在0x0031等等依序排放） • 要執行的時候，自0x0030的指令開始執行（初始PC=0x0030），除非遇到Branch類指令，不然就是依序往下執行（PC=PC+1），遇到Branch類指令則依照Branch類指令的行為決定執行順序 • TRAP指令所定址的VectorAddress是從0x0070~0x007F

  23. Spec • 在每執行一道指令後，把當時的結果輸出到檔案，格式請按照後面Sample output file當中的格式輸出，輸出時請將執行完後當下的PC、R0~R7的值印出，Memory當中的值只要印出0x0000~0x002F的部份即可。 • 在輸入檔案當中的指令全部被執行完畢後，結束程式

  24. Spec • 你要用軟體模擬的Memory大小請以0x0000~0x007F（請注意是16進位）為準，其中0x0000到0x002F是給保留給程式當做資料儲存用的，0x0030到0x006F是拿來存放程式碼的，0x0070到0x007F是拿來存放Trap的Vector內容的。在實作上，可用Array來模擬Memory即可，不需要模擬更細部的記憶體硬體行為。 • 不需要考慮真正LC-3當中Supervisormode和Non-supervisor mode的差別。 • 不需要考慮真正LC-3當中，對高位與低位Memoryspace的權限控制。 • 不需要考慮Hardware Interrupt的部份。 • 輸入檔案名稱為input.bin、輸出檔案名稱為output.txt，檔名直接寫定在程式碼當中即可。

  25. Spec • 由於範例input是以binary的形式存在，所以不方便直接顯示，我們下面的內容是寫出input.bin其原始組合語言的方式來顯示，並且顯示出當輸入這個input.bin時，你應該寫入到output.txt的內容。範例input.bin和範例output.txt之後會在iLMS上公布。 • 你的程式的輸出格式必須依照Spec上所規定的格式輸出 • 範例input.bin的組合語言內容： • NOTr1,r0 • NOTr2,r0

  26. Spec • 範例output.txt輸出內容（第一頁）：

  27. Spec • 範例output.txt輸出內容（第二頁）：

  28. 加分題 Bonus

  29. Bonus-1：Livecoding • 我們會在Demo現場新增新的Instruction type，當場公布該新增的Instruction之Encode方式與指令邏輯行為，有要DemoBonus-1的人會需助教面前現場修改自己的程式碼，若在10分鐘內可以順利讀取並且模擬新增的Instruction type的行為，即可取得此Bonus分數。若超過10分鐘還沒寫出來，則就無法取得此Bonus分數。 • Livecoding環境可使用自己的筆電、遠端桌面或是工作站等熟悉的環境 • 要Demo Bonus-1的人需要在填寫Demo timetable的時候就告知助教說要DemoBonus。

  30. Bonus-2：Disassembler 反組譯器 • 此部份為事先完成的，不是Live coding • 將輸入的Binaryfile，輸出成對應的組合語言程式碼 • 輸入檔案：Binaryfile • 輸出檔案：Assemblylanguagefile（純文字檔，內容是組合語言） • 裡面遇到Label的部份，在Generate組合語言檔案的時候，可自行取Label名稱，只要符合原始輸入的Binary file的程式行為即可。

  31. 評分方式與繳交期限 Gradingpolicy&Deadline

  32. Gradingpolicy • 運算類指令：70% • Load/Store類指令：15% • Branch類與軟體中斷指令：15% • Bonus-1-Livecoding：10% • Bonus-2-Disassembler：5%

  33. Deadline • 2013/01/24 • FinalProject不接受補交，若當天不能來Demo的人請先寄信過來提早Demo。

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