CSAPP的Lab学习——Archlab(Architecture Lab)

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前言

一个本硕双非的小菜鸡，备战24年秋招。刚刚看完CSAPP，真是一本神书啊！遂尝试将它的Lab实现，并记录期间心酸历程。
代码下载

官方网站：CSAPP官方网站
这道题下载完了记得不是完事了，还有一句话需要执行

unix> cd sim
unix> make clean; make

如果执行make clean; make出现了报错，如：

可参考这位大佬的解决方案：林夕丶

以下是官方文档翻译：
在这个实验室中，您将学习流水线Y86-64处理器的设计和实现，优化它和基准程序以最大化性能。允许您对基准测试程序进行任何语义保留转换，或者对流水线处理器进行增强，或者两者都进行。当您完成了实验室的工作后，您将会对影响程序性能的代码和硬件之间的交互产生强烈的欣赏。
这个实验室被分为三个部分，每个部分都有自己的把手。
在A部分中，您将编写一些简单的Y86-64程序，并熟悉Y86-64工具。
在B部分中，您将使用一个新的指令来扩展SEQ模拟器。
这两个部分将为您为实验室的核心C部分做准备，在那里您将优化Y86-64基准程序和处理器设计。

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一、A部分

您将在本部分的目录sim/misc中工作。
您的任务是编写和模拟以下三个Y86-64程序。这些程序的所需行为由示例中的examples.c函数定义。一定要在每个程序的开头把你的名字和ID放在注释中。您可以测试您的程序，首先用程序YAS组装它们，然后用指令集模拟器YIS运行它们。
在所有的Y86-64函数中，您应该遵循x86-64约定来传递函数参数、使用寄存器和使用堆栈。这包括保存和恢复您使用的任何被调用的保存寄存器。

人话：把sim/misc/examples.c里面的仨函数用Y86-64程序写出来
参考书中图4.8
ps：我感觉用处不大啊，就是手写Y86-64的汇编程序呗，难怪我看做的人也不是很多。（并不打算多费时间在这上，就参考其他大佬的了）
具体详见知乎大佬的解析：早睡晚起

sum .ys：迭代求和链表元素写一个Y86-64的程序和。

即对链表中的元素进行迭代求和。您的程序应该由一些设置堆栈结构、调用一个函数、然后停止的代码组成。在这种情况下，函数应该是Y86-64代码(sum list)，在功能上等同于C sum list和图1中的列表函数。使用以下三元素列表测试程序：

# Sample linked list
.align 8
ele1:
.quad 0x00a
.quad ele2
ele2:
.quad 0x0b0
.quad ele3
ele3:
.quad 0xc00
.quad 0

1 /* linked list element */
2 typedef struct ELE {
3 long val;
4 struct ELE *next;
5 } *list_ptr;
6
7 /* sum_list - Sum the elements of a linked list */
8 long sum_list(list_ptr ls)
9 {
10 long val = 0;
11 while (ls) {
12 val += ls->val;
13 ls = ls->next;
14 }
15 return val;
16 }
17
18 /* rsum_list - Recursive version of sum_list */
19 long rsum_list(list_ptr ls)
20 {
21 if (!ls)
22 return 0;
23 else {
24 long val = ls->val;
25 long rest = rsum_list(ls->next);
26 return val + rest;
27 }
28 }
29
30 /* copy_block - Copy src to dest and return xor checksum of src */
31 long copy_block(long *src, long *dest, long len)
32 {
33 long result = 0;
34 while (len > 0) {
35 long val = *src++;
36 *dest++ = val;
37 result ˆ= val;
38 len--;
39 }
40 return result;
41 }
/*Y86-64解决方案函数的C个版本。参见sim/misc/examples.c*/

代码：

# sum_list - Sum the elements of a linked list
# author: Deconx

# Execution begins at address 0
        .pos 0
        irmovq stack, %rsp      # Set up stack pointer
        call main               # Execute main program
        halt                    # Terminate program

# Sample linked list
        .align 8
ele1:
        .quad 0x00a
        .quad ele2
ele2:
        .quad 0x0b0
        .quad ele3
ele3:
        .quad 0xc00
        .quad 0

main:
        irmovq ele1,%rdi
        call sum_list
        ret

# long sum_list(list_ptr ls)
# start in %rdi
sum_list:
        irmovq $0, %rax
        jmp test

loop:
        mrmovq (%rdi), %rsi
        addq %rsi, %rax
        mrmovq 8(%rdi), %rdi

test:
        andq %rdi, %rdi
        jne loop
        ret

# Stack starts here and grows to lower addresses
        .pos 0x200
stack:

注意，应在stack下方空一行，否则汇编器会报错。
然后按操作手册来，新建一个sum.ys文件，并把代码放入。
执行
./yas sum.ys
./yis sum.yo

看到%rax是cba就是成功了

rsum .递归求和链表元素

编写一个Y86-64程序 rsum.ys，递归地和链表的元素。这个代码应该类似于sum.ys的代码，除了它应该使用一个函数rsum list递归地求和一个数字列表的列表，如C函数rsum list所示 在图1中列出。使用用于测试列表相同的三元素列表测试程序list.ys.

代码：

# /* rsum_list - Recursive version of sum_list */
# author: Deconx

# Execution begins at address 0
        .pos 0
        irmovq stack, %rsp      # Set up stack pointer
        call main               # Execute main program
        halt                    # Terminate program

# Sample linked list
        .align 8
ele1:
        .quad 0x00a
        .quad ele2
ele2:
        .quad 0x0b0
        .quad ele3
ele3:
        .quad 0xc00
        .quad 0

main:
        irmovq ele1,%rdi
        call rsum_list
        ret

# long sum_list(list_ptr ls)
# start in %rdi
rsum_list:
        andq %rdi, %rdi
        je return               # if(!ls)
        mrmovq (%rdi), %rbx     # val = ls->val
        mrmovq 8(%rdi), %rdi    # ls = ls->next
        pushq %rbx
        call rsum_list          # rsum_list(ls->next)
        popq %rbx
        addq %rbx, %rax         # val + rest
        ret
return:
        irmovq $0, %rax
        ret


# Stack starts here and grows to lower addresses
        .pos 0x200
stack:

注意，应在stack下方空一行，否则汇编器会报错。
然后按操作手册来，新建一个rsum.ys文件，并把代码放入。
执行
./yas rsum.ys
./yis rsum.yo

看到%rax是cba就是成功了

copy.ys 复制将源块复制到目标块

编写一个程序（copy.ys），将单词块从内存的一个部分复制到另一个内存（非重叠区域），计算所有复制单词的校验和（Xor）。
您的程序应该由设置堆栈框架、调用函数副本的代码组成阻止，然后停止。该函数应该在功能上等同于C函数copy block，如图1所示。使用以下三个元素的源块和目标块测试程序：

.align 8
# Source block
src:
.quad 0x00a
.quad 0x0b0
.quad 0xc00
# Destination block
dest:
.quad 0x111
.quad 0x222
.quad 0x333

代码：

/* copy_block - Copy src to dest and return xor checksum of src */
# author: Deconx

# Execution begins at address 0
        .pos 0
        irmovq stack, %rsp      # Set up stack pointer
        call main               # Execute main program
        halt                    # Terminate program

# Sample
        .align 8
# Source block
src:
        .quad 0x00a
        .quad 0x0b0
        .quad 0xc00

# Destination block
dest:
        .quad 0x111
        .quad 0x222
        .quad 0x333

main:
        irmovq src, %rdi        # src
        irmovq dest, %rsi       # dest
        irmovq $3, %rdx         # len
        call copy_block
        ret

# long copy_block(long *src, long *dest, long len)
# src in %rdi
# dest in %rsi
# len in %rdx
copy_block:
        irmovq $8, %r8
        irmovq $1, %r9
        irmovq $0, %rax
        andq %rdx, %rdx
        jmp test
loop:
        mrmovq (%rdi), %r10     # val = *src1
        addq %r8, %rdi          # src++
        rmmovq %r10, (%rsi)     # *dest = val
        addq %r8, %rsi          # dest++
        xorq %r10, %rax         # result ^= val
        subq %r9, %rdx          # len--.  Set CC
test:
        jne loop                # Stop when 0
        ret

# Stack starts here and grows to lower addresses
        .pos 0x200
stack:

这道题几乎与4-7完全相同

注意，应在stack下方空一行，否则汇编器会报错。
然后按操作手册来，新建一个copy_block.ys文件，并把代码放入。
执行
./yas copy_block.ys
./yis copy_block.yo

看到%rax是cba就是成功了

二、B部分

您将在这部分的目录sim/seq中工作。
B部分中的任务是扩展SEQ处理器以支持iaddq，在家庭作业问题4.51和4.52中描述。要添加此说明，
您将修改文件的seq-full.hcl，它实现了CS： APP3e教科书中描述的SEQ版本。此外，它还包含了您
的解决方案所需要的一些常量的声明。
HCL文件必须以包含以下信息的标题注释开头：

1. 你的名字和身份证。
2. 对iaddq指令所需的计算方法的描述。使用CS： APP3e文本中图4.18中的irmovq和OPq的描述作为指南。
   构建和测试您的解决方案
   一旦你完成了修改序列的全部。hcl文件，然后你将需要基于这个hcl文件建立一个新的SEQ模拟器（ssim）的实例，然后测试它：
   建立一个新的模拟器。你可以使用make来构建一个新的SEQ模拟器：
   unix> make VERSION=full
   这构建了一个使用您在seq-full中指定的控制逻辑的ssim版本。要保存键入操作，您可以在Makefile中给与VERSION=full。
   在一个简单的Y86-64程序上测试你的解决方案。对于您的初始测试，我们建议在TTY模式下运行简单的程序，如asumi.yo（测试iaddq），并将结果与ISA模拟进行比较：
   unix> ./ssim -t …/y86-code/asumi.yo
   如果ISA测试失败，那么您应该通过以GUI模式单步进模拟器来调试实现：
   unix> ./ssim -g …/y86-code/asumi.yo
   使用基准测试程序重新测试您的解决方案。一旦你的模拟器能够正确地执行小程序，那么你就可以自动在Y86-64基准测试程序上测试它。…/y86-code:
   unix> (cd …/y86-code; make testssim)
   这将在基准测试程序上运行ssim，并通过将生成的处理器状态与来自高级ISA模拟的状态进行比较来检查其正确性。请注意，这些程序都没有测试所添加的指令。您只是在确保您的解决方案没有为原始指令注入错误。查看文件…/y86-code/README文件了解更多细节。
   执行回归测试。一旦您能够正确地执行基准测试程序，那么您就应该在…/ptest中运行广泛的回归测试集。要测试除iaddq之外的所有内容并leave：
   unix> (cd …/ptest; make SIM=…/seq/ssim)
   要测试iaddq的实现：
   unix> (cd …/ptest; make SIM=…/seq/ssim TFLAGS=-i)
   有关SEQ模拟器的更多信息，请参阅关于Y86-64处理器模拟器（simguide.pdf）的分发CS： APP3e指南。

1 /*
2 * ncopy - copy src to dst, returning number of positive ints
3 * contained in src array.
4 */
5 word_t ncopy(word_t *src, word_t *dst, word_t len)
6 {
7 word_t count = 0;
8 word_t val;
9
10 while (len > 0) {
11 val = *src++;
12 *dst++ = val;
13 if (val > 0)
14 count++;
15 len--;
16 }
17 return count;
18 }
/*图2：ncopy函数的C版本。请参阅sim/pipe/ncopy.c*/

这块就不越俎代庖了，大家看大佬的就好：大佬答案
测试方法

make VERSION=full
cd seq/
./ssim -t ../y86-code/asumi.yoY86-64 Processor: seq-full.hcl
cd ../ptest; make SIM=../seq/ssim TFLAGS=-i

三、C部分

您将在本部分的目录sim/pipe中工作。
图2中的ncopy函数将一个len-元素整数数组src复制到一个不重叠的dst中，返回src中包含的正整数的计数。图3显示了ncopy的基线Y86-64版本。文件pipe-full.hcl包含一个针对PIPE的HCL代码的副本，以及一个常量值IIADDQ的声明。
您在C部分中的任务是修改ncopy.ys和pipe-full.hcl的目标是制作ncopy.ys。跑得越快越好。
你将提交两个文件：pipe-full.hcl和ncopy.ys。每个文件都应该以一个包含以下信息的标题注释开头：
你的名字和身份证。
对您的代码的高级描述。在每种情况下，描述您如何以及为什么修改代码。

您可以自由地做任何您想要的修改，并有以下限制：

1. 你的ncopy.ys函数必须适用于任意大小的数组。您可能会试图通过简单地编码64个复制指令来硬连接64个元素数组的解决方案，但这将是一个坏主意，因为我们将根据其在任意数组上的性能对您的解决方案进行分级。
2. 你的ncopy.ys函数必须与YIS一起正确运行。通过正确地复制，我们的意思是它必须正确地复制src块并返回（以%rax表示）正确的正整数数。
3. ncopy文件的组装版本的长度不能超过1000字节。您可以使用提供的脚本check-len.pl检查嵌入了ncopy函数的任何程序的长度：unix> ./check-len.pl < ncopy.yo
4. 你的pipe-full.hcl实现必须通过中的回归测试：…/y86-code和 …/ptest。（没有测试iaddq的-i标志）。

除此之外，如果你认为iaddq指令会有帮助，你就可以自由地执行iaddq指令。您可以对ncopy进行任何保留语义的转换。它的功能，如重新排序指令，用单个指令替换指令组，删除一些指令，以及添加其他指令。您可能会发现在CS： APP3e的第5.8节中阅读关于循环展开的信息很有用。

1 ##################################################################
2 # ncopy.ys - Copy a src block of len words to dst.
3 # Return the number of positive words (>0) contained in src.
4 #
5 # Include your name and ID here.
6 #
7 # Describe how and why you modified the baseline code.
8 #
9 ##################################################################
10 # Do not modify this portion
11 # Function prologue.
12 # %rdi = src, %rsi = dst, %rdx = len
13 ncopy:
14
15 ##################################################################
16 # You can modify this portion
17 # Loop header
18 xorq %rax,%rax # count = 0;
19 andq %rdx,%rdx # len <= 0?
20 jle Done # if so, goto Done:
21
22 Loop: mrmovq (%rdi), %r10 # read val from src...
23 rmmovq %r10, (%rsi) # ...and store it to dst
24 andq %r10, %r10 # val <= 0?
25 jle Npos # if so, goto Npos:
26 irmovq $1, %r10
27 addq %r10, %rax # count++
28 Npos: irmovq $1, %r10
29 subq %r10, %rdx # len--
30 irmovq $8, %r10
31 addq %r10, %rdi # src++
32 addq %r10, %rsi # dst++
33 andq %rdx,%rdx # len > 0?
34 jg Loop # if so, goto Loop:
35 ##################################################################
36 # Do not modify the following section of code
37 # Function epilogue.
38 Done:
39 ret
40 ##################################################################
41 # Keep the following label at the end of your function
42 End:
/*ncopy函数的基线Y86-64版本。请参阅sim/pipe/ncopy.ys*/

解答：

实现iaddq指令

pipe-full.hcl改动部分，可参考PartB

# Is instruction valid?
bool instr_valid = f_icode in 
	{ INOP, IHALT, IRRMOVQ, IIRMOVQ, IRMMOVQ, IMRMOVQ,
	  IOPQ, IJXX, ICALL, IRET, IPUSHQ, IPOPQ, IIADDQ};

# Does fetched instruction require a regid byte?
bool need_regids =
	f_icode in { IRRMOVQ, IOPQ, IPUSHQ, IPOPQ, 
		     IIRMOVQ, IRMMOVQ, IMRMOVQ, IIADDQ};

# Does fetched instruction require a constant word?
bool need_valC =
	f_icode in { IIRMOVQ, IRMMOVQ, IMRMOVQ, IJXX, ICALL, IIADDQ};

## What register should be used as the B source?
word d_srcB = [
	D_icode in { IOPQ, IRMMOVQ, IMRMOVQ , IIADDQ} : D_rB;
	D_icode in { IPUSHQ, IPOPQ, ICALL, IRET } : RRSP;
	1 : RNONE;  # Don't need register
];

## What register should be used as the E destination?
word d_dstE = [
	D_icode in { IRRMOVQ, IIRMOVQ, IOPQ, IIADDQ} : D_rB;
	D_icode in { IPUSHQ, IPOPQ, ICALL, IRET } : RRSP;
	1 : RNONE;  # Don't write any register

## Select input A to ALU
word aluA = [
	E_icode in { IRRMOVQ, IOPQ } : E_valA;
	E_icode in { IIRMOVQ, IRMMOVQ, IMRMOVQ, IIADDQ} : E_valC;
	E_icode in { ICALL, IPUSHQ } : -8;
	E_icode in { IRET, IPOPQ } : 8;
	# Other instructions don't need ALU
];

## Select input B to ALU
word aluB = [
	E_icode in { IRMMOVQ, IMRMOVQ, IOPQ, ICALL, 
		     IPUSHQ, IRET, IPOPQ, IIADDQ} : E_valB;
	E_icode in { IRRMOVQ, IIRMOVQ } : 0;
	# Other instructions don't need ALU
];

## Should the condition codes be updated?
bool set_cc = E_icode == (E_icode == IOPQ || E_icode == IIADDQ)&&
	# State changes only during normal operation
	!m_stat in { SADR, SINS, SHLT } && !W_stat in { SADR, SINS, SHLT };

在sim/pipe输入以下命令测试

./psim -t ../y86-code/asumi.yo
(cd ../ptest;make SIM=../pipe/psim TFLAGS=-i)
(cd ../ptest;make SIM=../pipe/psim)

测试成功

通过这两个命令测试CPE

./correctness.pl
./benchmark.pl

得：
出了点问题，改完iaddrq指令后，CPE全都变成小于1了。。。不知道为啥？
网上也没找到原因，重新替换也不好使。

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总结

这一章比较乱，我的重心也没放在这里。最近事太多心理上也十分的烦躁、焦虑。希望以后可以恢复过来，然后我再次跟这道题抗争到底！我能行的！