课程项目 Y86-64模拟器

Deadline：2023-12-20 23:59:59

项目概述

跟据CSAPP中对Y86-64指令集的描述和讲解，以任意技术栈自行实现一个CPU模拟器。

下载链接：PJ-handout.tar

项目要求

  • 项目完成人数1～2人。其中单人完成的同学可以适当降低一些工作量的要求。多人组队的同学需要把参与项目的每个人的工作量和贡献度都写在报告中。

  • 支持CSAPP中Y86-64的基本指令

  • 程序输入输出满足基本格式，输出与标准答案一致

  • 需要提交项目报告和项目文件

  • 对技术栈不做限制，可以自由选择编程语言(python,c++,SystemVerilog等)、操作系统

  • 在满足项目要求的条件下，有能力的同学可以做额外的完善，例如更好的架构设计、更丰富的指令、所学知识的综合等，即添加自己的亮点

  • 进行课堂汇报（安排在期末前），包括项目设计的亮点等

分值分配

  • 基础功能(80%)
  • 项目展示与报告(15%)
  • 项目亮点(5%)

项目内容

在项目中，你需要设计实际一个cpu模拟器，你的程序将从stdio读取机器码.yo文件，然后在stdout按要求输出初始状态和每条指令执行后的CPU状态的日志。（回想bomblab的重定向） 最后的运行方式类似如下：

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$ ./cpu < example.yo > example.json 
或
$ python cpu.py < example.yo > example.yaml

模拟器输入

请以文件包给出的包含了机器码和汇编码的.yo文件作为模拟器输入，自行编写代码处理 样例如下：

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0x00a: 30f23f00000000000000 | irmovq $63, %rdx # src and dst have 63 elements 
0x014: 30f69802000000000000 | irmovq dest, %rsi # dst array
0x01e: 30f79000000000000000 | irmovq src, %rdi # src array

模拟器输出

  • 输出一份json格式文件或yaml格式文件，可使用库或自行编写代码

  • 要求在每条指令执行完毕后输出完整的寄存器信息和内存非零值(八字节对齐，按小端法解释为十进制有符号整数)。内存非零值指{(内存地址,内存值)|内存值内存地址} ，即所有非零内存值的内存地址-值键值对。

  • 所有输出(含内存地址、寄存器值、内存值)均以十进制输出

  • 最终完整输出样例如下，无需担心每次log内key-value的排列顺序，但要确保列表内log的顺序与程序执行顺序一致

    • json

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      [ 
          { 
              "PC": 0, 
              "REG": { 
                  "rax": 1, 
                  "rcx": -2,
                  "rdx": 3,
              },
              "CC": { 
                  "ZF": 0,
                  "SF": 0, 
                  "OF": 0 
              },
              "STAT": 1, 
              "MEM": { 
                  "64": 4294901760, 
                  "72": 65535, 
                  ... 
              } 
          },
          ...
      ]

    • yaml

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      - PC: 0 
          REG:
              rax: 1 
              rcx: -2 
              rdx: 3 
              ...
          CC:
              ZF: 0 
              SF: 0 
              OF: 0 
          MEM:
              64: 4294901760 
              72: 65535 
              ... 
          STAT: 1 
      - ...

实现前端界面（可选）

为了方便期末pre和行CPU运行期间相关信息的展示，同学们可以选择性完成前端界面。前端页面不要求强制完成，完成不会获得额外分数，你甚至可以用命令行作为前端页面。前端界面的时间方法非常多，这里不做限制，助教可以推荐几个常用的技术思路:

桌面应用

思路是不输出此时处理器的状态，直接显示到前端

web应用

思路是后端提供API的Web接口，前端读取Web接口的数据显示

P.S. 你可以直接传上一阶段生成的json数据

  • Django&Flask+HTML/JS：非常成熟的Python Web框架，熟练的话半天时间就能把整个PJ写完
  • NodeJS+HTML：非常成熟的JS后端，性能据说也不错
  • Go/Java/...+HTML

不知道从哪里开始？

  • 阅读CSAPP，了解Y86-64指令集
  • 先试着读取文件内容和解析文件内容为一条条对应指令
  • 画图设计你的每条指令的执行过程，回想课上讲的cpu设计
  • 先从简单的一条指令开始，逐步增加指令
  • 在每条指令结束后记得保存寄存器和内存的状态（变量状态）

什么是项目亮点

项目亮点是指你在完成基本功能的基础上，自行添加的功能或者设计，我们可以给出如下几个方向的建议：

  • 任何你认为你所作的巧妙独特的地方
  • 更好的cpu架构设计
  • 更丰富的指令集
  • 更好的展示效果
  • 如何结合我们之前学过的实验内容或课程内容来丰富功能

P.S. 前端页面不会算作亮点，因为这并不是主要考察目标，大家可以放心。

项目展示

项目展示将在课程最后一到两周进行，具体时间待定。希望同学们能尽早完成pj方便课上展示。展示形式为每组5分钟左右的汇报，需要同学准备相应的ppt，汇报内容可以包括但不限于：

  • cpu架构设计
  • cpu实机运行效果
  • 项目亮点

我们的pre的分数全部由投票打分得到

提交方式

请将项目报告、项目文件打包提交，命名格式为： 姓名_学号_PJ

  • 项目报告内需包含你的CPU的设计、前端的设计（如果有）、代码运行的方法。在讲清楚的情况下越短越好，以及你的意见+建议+感受（可选）。
  • 项目文件内需包含你所有的代码和静态文件(如前端的图片，设计文档等)
  • 请不要将.git或者二进制文件附在压缩包里，除非为项目配置编译环境十分复杂。

注意事项

  • 本次项目旨在考查同学们对Y86指令集和基本处理器设计思想的掌握程度，满足项目要求即可获得大部分分数，请自行平衡好时间
  • 禁止抄袭代码，鼓励自行学习相关知识丰富模拟器功能
  • 小组如果中途发生变动，需要向助教说明情况