前言

二周目玩家，浅试一下这次的原型机实验。总体感觉跟上一年的很相似，但还是有所不同。

可以比较明显地感觉到，这个界面越来越好看了，可操作与可探索的功能也越来越多了。

我们HNU的SYSTEM真的越来越好了！！！（doge）

（1）vspm，miniCC

在试玩之前，先明确vspm、miniCC这些都是什么。

vspm是一个小型的原型机，模拟了一个有6个寄存器，有cpu等基础配置的计算机，使用汇编代码来逐步或多步执行，用于教学作用。（vspm读取.txt配置文件并逐步执行）

miniCC是编译器，以近似C的语法执行编译，将我们写的代码逐步编译成四元组，vspm的汇编指令，配置文件，以一些其它的指令可以做一些别的操作，如指定输出文件名，打印内容等。它做到的事情类似于gcc，但有所不同，gcc是逐步生成预编译文件，汇编代码与可执行文件的过程，和用作教学作用的vspm不同。

但miniCC编译器确实存在一些严重的问题，相信喜欢探索的同学已经碰到了，这个问题坦白来说确实存在，而且短时间内没法解决，可能到23级的同学的时候就能修好了。目前一个问题是在for循环的判定条件内只能识别++或者--，不能识别 i = i + 1这种。

下面是gcc逐步生成可执行文件的过程。

gcc -E helloworld.c -o helloworld.i
gcc -S helloworld.i -o helloworld.s
gcc -c helloworld.s -o helloworld.o
gcc helloworld.o -o helloworld

其实感觉形式上还是有点像的，虽然内容完全不同。 

（2）环境配置

还有环境配置，这个环境要求要java环境（因为vspm使用java编写），版本21以上，包括ubuntu环境的配置，是一个很大的工程（新手基本暴毙在环境配置上）。我的好同学，同时也是计科某班的助教LIU，写了一个《how to build java21 on ubuntu20.04》，有机会可以读一下。

下面就是试玩报告啦：

实验1.原型机vspm1.0

【实验目的】

1. 了解冯诺伊曼体系结构；
2. 理解指令集结构及其作用；
3. 理解计算机的运行过程，就是指令的执行过程，并初步掌握调试方法。

【实验准备】

1. 阅读教材，掌握冯诺伊曼体系的相关内容；
2. 学习课程《最小系统与原型机I》。

【实验步骤】

1. 进入终端，使用cd vspm1.0进入目录；

使用./vspm a-inst.txt来运行原型机1.0的模拟器，其中a-inst.txt为代码文件，

6

in R1   #输入a到R1

movi 1 #设置R0为1

add R2,R1 #R2存放累加值

sub R1,R0 #R1的值即a减去1,此时会设置Ｇ值

movd #将当前PC值保存在R3中

movi -3 #存放-3到R0中,跳转到第二行

add R3,R0 #R3减去3，注意此时不能用SUB指令，会影响G值

jg #如果R1的值还大于1，则跳到第2行去执行

out R2 #如果R1的值此时小于等于1，则准备输出

halt #停机

第一行的6，表示分配6个字节的数据段；

后面的均为原型机指令，每一行指令代表的意义及整体执行结果在《最小系统与原型机I》中已经进行了详细说明。

运行后界面如下图所示。

1. 在运行后，提示将要执行的指令地址及内容，在本例中，提示要执行位于内存00000110处的指令“in R1”，即等待输入一个整数值。此时输入si则表示执行此指令，同时也可以输入其他的指令，使用help可以查看此模拟器支持的命令：
2. 此时输入i r，可以查看各个寄存器的值，而输入x 6 0000则表示查看从0000开始的连续6个内存地址值，结果如图所示。
3. 输入si，则表示运行一条指令，例如此时运行的指令是“in R1”，表示等待输入，输入一个值5，在输入完成后将此数值存至R0寄存器，运行完成后，再运行i r指令，就可以看到输入的值5确实是已经存在R0寄存器中，每个寄存器的值都用十进制和十六进制表示，如下图所示。
4. 后续程序的执行过程可参照视频进行操作。
5. 程序执行完毕后，可以使用q退出。

三、练习思考

1.练习内容

1.按照上述的实验步骤，完成相关操作；

【参考回答】上述a-inst.txt完成的工作是计算自然数列1+2+……+n的和，n由输入读入。

2.在目录下还有b-inst.txt和c-inst.txt，请运行并调试，并对这些代码所做的工作进行解释；

b-inst.txt（完成比较a和b大小的工作，并输出较小的值）

6
in R1 		#输入第一个数a
in R2 		#输入第二个数b
mova R0,R1 	#在R0保存a 
sub R1,R2  	#a-b,此时会设置G
mova R1,R0 	#a保存到R1
movd       	#保存当前的PC值到R3
movi 6     	#R0的值设置为6,即跳转到11行
add R3,R0  	#R3的值加6
mova R0,R2 	#b的值保存到R0
jg         	#如果a的值比b大,就跳转
#跳转地址
mova R0,R1 #将a的值保存到R0
out R0     #输出R0
halt

c-inst.txt（完成两个大于1的正数相乘的工作，并输出结果）

8
#两个大于1的正数相乘
in R1		#乘数a
movb R0,R1	#乘数a存放到内存0000 0000
in R1		#被乘数b
movi 1
movb R0,R1	#被乘数b存放在内存0000 0001
		#结果存放在内存 0000 0010
#开始循环
movi 1		#R0中的值为1
movc R1,R0	#从内存中取出值b
movi 1		#设置R0中的值为1
sub R1,R0	#R1即b值减1，此时设置G值
movi 1
movb R0,R1	#b值需要保存回去
movi 0		#R0中设置为0，即内存地址0
movc R2,R0	#取出a值
movi 2		#R0中设置为2，即内存地址0000 0010
movc R1,R0	#取出结果
add R1,R2	#做加法
movb R0,R1	#将结果存回去
movd       	#保存当前的PC值到R3
movi -12     	#R0的值设置为-12
add R3,R0  	#R3的值加-12
jg         	#如果第12行的减法设置G为1,就跳转
#循环结束
movi 2		#R0中设置为2，即内存地址0000 0010
movc R1,R0	#取出结果
out R1		#打印结果
halt

3.完成实验报告。

2.思考问题

（1)   如果基于这些指令实现两个整数的乘法与除法？

【参考想法】

实际上可以先用c++写好，然后使用hnu-vspm编译器来进行编译。

分别使用下述命令，若没有编译报错，则可以最终生成配置文件（供vspm读取的汇编代码）

./miniCC -c1 mytest.c -o mytest.q
./miniCC -lvspm mytest.q -o mytest.hnus
./miniCC -lvspm mytest.hnus -o mytest.txt

最后再使用如下指令就可以像上面的a-inst等一样单步运行了。

./vspm mytest.txt

前提是没有出编译错误。

上述过程大致可以截图如下：

 然后就可以试试自己的代码能不能成功运行，是不是可以转成合适的vspm汇编代码。

（2）  vspm1.0的指令集是否完备？如果是，那么如何证明（提示：搜索并阅读“可计算性理论”）？如果不是，那么要增加哪些指令？

【参考想法】

（3）  如果一台计算机只支持加法、减法操作，那么能否计算三角函数，对数函数？（提示：搜索并阅读“泰勒级数展开”等内容）

【参考想法】

   （4）对于某个需要完成的功能，如果既可以通过硬件上增加电路来实现，也可以通过其他已有指令的组合来实现，那么如何判断哪一种比较合适？（提示：搜索并阅读RISC与CISC）。

【参考想法】

此外还有一些比较有趣的点值得关注

比如数据段是什么，配置文件的第一个数字6是什么意思，PC寄存器和G寄存器是干什么的……