预学习

表达式生成器

如何生成成表达式, 同时不会使buf溢出?

如何过滤求值过程中有除0行为的表达式?
我们在表达式求值中约定, 所有运算都是无符号运算. 你知道为什么要这样约定吗? 如果进行有符号运算, 有可能会发生什么问题?

有符号运算的风险：

●未定义行为导致不可预测的结果
●编译器优化可能产生意外行为
●平台依赖性导致可移植性问题
●增加代码复杂性和测试难度

解决方法

使用snprintf而不是sprintf防止写缓冲区溢出导致程序崩溃
过滤除0表达式的方式就是粗暴地开启-Wall -Werror参数，因为生成的表达式属于字面量(literal constant)，编译时就会计算表达式，如果含有除0的情况gcc就会执行失败，所以可以通过system返回值检测编译是否含有除0的情况

优美的退出

make run启动nemu后直接输入q退出，得到如下最后一行的错误:

Welcome to riscv32-NEMU!
For help, type "help"
(nemu) q
make: *** [/home/ics2024/nemu/scripts/native.mk:38: run] Error 1

是由于is_exit_status_bad函数返回了-1，main函数直接返回了此函数返回的结果，make检测到该可执行文件返回了-1，因此报错。

#include <utils.h>
NEMUState nemu_state = { .state = NEMU_STOP };
int is_exit_status_bad() {int good = (nemu_state.state == NEMU_END && nemu_state.halt_ret == 0) ||(nemu_state.state == NEMU_QUIT);return !good;
}

模拟器上程序的执行流程

当运行nemu的时候，是通过SDB这个“窗口”去运行和窥探客户程序的运行的：当键入c或si时的原理是一样的，都是调用cpu_exec(n)，执行n条指令，n是一个无符号整数，传入-1的话变成无符号整数的最大值，可视为把指令不停地执行下去无停顿，否则执行完n条指令后程序会回到sdb_mainloop中等待下一条用户的sdb命令。
流程集中在调用execute(n)执行n条指令，因此来到execute函数中：

static void execute(uint64_t n) {Decode s;for (;n > 0; n --) {exec_once(&s, cpu.pc);g_nr_guest_inst ++;trace_and_difftest(&s, cpu.pc);if (nemu_state.state != NEMU_RUNNING) break;IFDEF(CONFIG_DEVICE, device_update());}
}

execute循环n次如下的流程：
●调用exec_once执行每条指令
●调用trace_and_difftest记录trace、执行difftest和检查watchpoint
●检查是否程序应该退出（运行到了最后一条指令或者别的原因退出）
●更新设备状态
现在只关注指令执行流程，因此接下来看exec_once的流程：
●调用isa_exec_once取指并执行，指令与架构相关
●将cpu.pc置为下一条应该执行的指令的地址，这个地址在s->dnpc中
●根据是否开启了itrace，将第一步执行的指令记录到s->logbuf中，然后会在trace_and_difftest中输出
关注isa_exec_once函数，这个函数传入一个Decode结构体，保存待取指令的地址pc、下一条指令的静态地址snpc=pc+4、下一条指令的动态地址dnpc，还有一个字段isa目前只保存待取指令的内容

int isa_exec_once(Decode *s) {s->isa.inst = inst_fetch(&s->snpc, 4);return decode_exec(s);
}

isa_exec_once执行流程如下：
●inst_fetch取指
●decode_exec译码并执行

int isa_exec_once(Decode *s) {s->isa.inst = inst_fetch(&s->snpc, 4);return decode_exec(s);
}

重点关注decode_exec，在这个函数中定义了一些宏比如INSTPAT_INST、INSTPAT_MATCH，还有其他一些函数比如decoce_operand，其他的文件decode.h等，这些都是为了译码服务的，集中在INSTPAT这个宏上：

#define INSTPAT(pattern, ...) do { \uint64_t key, mask, shift; \pattern_decode(pattern, STRLEN(pattern), &key, &mask, &shift); \if ((((uint64_t)INSTPAT_INST(s) >> shift) & mask) == key) { \INSTPAT_MATCH(s, ##__VA_ARGS__); \goto *(__instpat_end); \} \
} while (0)

INSTPAT这个宏流程如下：
●调用pattern_decode解析传入的第一个参数pattern
●检查指令是否匹配pattern
●如果匹配的话，使用INSTPAT_MATCH宏，其中调用decode_operand根据指令类型提取操作数、立即数等，并执行指令相应的运算（INSTPAT宏的最后一个参数），最后跳过下面的pattern，因为已经匹配成功，不用再检查别的pattern
最后decode_exec再做些收尾工作，比如将$0寄存器置0

token十六进制和十进制

(nemu) p 0x80000000
[src/monitor/sdb/expr.c:89 make_token] match rules[11] = "[0-9]+" at position 0 with len 1: 0
no match at position 1
0x80000000^
error: wrong expression 0x80000000

规则顺序的重要性：
1.词法分析是贪婪的 - 使用第一个匹配成功的规则
2.特异性优先 - 更具体、更长匹配的模式应该放在前面
3.前缀冲突 - 要避免较短模式"截胡"较长模式的匹配机会
4.语义正确性 - 错误的词法分析会导致整个表达式求值失败
在你的表达式中，0x[0-9a-fA-F]+ 必须放在 [0-9]+ 前面，否则所有十六进制数都会被错误地解析为十进制数 0 加上无法识别的后缀，导致表达式求值完全失败。

操作符的问题

在一个token表达式中寻找主运算符了:
●非运算符的token不是主运算符.
●出现在一对括号中的token不是主运算符. 注意到这里不会出现有括号包围整个表达式的情况, 因为这种情况已经在check_parentheses()相应的if块中被处理了.
●主运算符的优先级在表达式中是最低的. 这是因为主运算符是最后一步才进行的运算符.
●当有多个运算符的优先级都是最低时, 根据结合性, 最后被结合的运算符才是主运算符. 一个例子是1 + 2 + 3, 它的主运算符应该是右边的+.
要找出主运算符, 只需要将token表达式全部扫描一遍, 就可以按照上述方法唯一确定主运算符.
找到了正确的主运算符之后, 事情就变得很简单了: 先对分裂出来的两个子表达式进行递归求值, 然后再根据主运算符的类型对两个子表达式的值进行运算即可.

断点异常

异常处理机制配置错误

当ebreak指令触发断点异常时，PC跳转到了无效的异常处理程序地址（0x80000010），该地址包含无效指令0xdeadbe00，导致异常。
在RISC-V中，当ebreak异常发生时：
PC跳转到异常处理程序的入口地址
0x80000010处的内容0xdeadbe00 0x6b6b6b6b表明：这可能是初始化的内存区域
根本原因：执行ebreak后，nemu状态变为NEMU_END，后又因为监视点值发生变化使得nemu状态变为NEMU_STOP，所以使得pc到0x80000010，无效指令。

static void execute(uint64_t n) {// 定义解码结构Decode s;// 循环执行n条指令for (;n > 0; n --) {// 执行单条指令exec_once(&s, cpu.pc);// 增加客户机指令计数器g_nr_guest_inst ++;// 进行指令跟踪和差分测试trace_and_difftest(&s, cpu.pc);// 如果模拟器状态不是运行中，跳出循环if (nemu_state.state != NEMU_RUNNING) break;// 如果定义了设备编译选项，更新设备状态IFDEF(CONFIG_DEVICE, device_update());}
}

解决方案：

if (nemu_state.state == NEMU_RUNNING) {if (update_watchpoint() > 0) {nemu_state.state = NEMU_STOP;}}