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

• Execute該指令•將結果 Store到 Register或Memory。

LC-3 CPU Control Unit• 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-3 Ch4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

需要模擬的指令The instructions which should be simulated

數學運算指令（ 70%）• ADD• AND• NOT

Load/Store指令（ 15%）• LOAD類

• LD• LDI• LDR• LEA

• STORE類• ST• STI• STR

分支類與軟體中斷指令（ 15%）• Software Interrupt

• TRAP

• Return• RET

• Unconditional branch• JMP• JSR• JSRR

• Conditional branch• BR(n)(z)(p)

註： RET指令敘述

摘錄自” Introduction to Computer Systems”,Patt and Patel, 2nd Ed., p536

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

實作講解Hint of implementation

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

• Step 1：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

• Step 2：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

• Step 3 & 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

自input.bin中讀入指令

全部讀完後寫入用軟體模擬的記憶體(Loader)

自0x0030開始逐步模擬CPU行為

(CPU模擬)

把全部結果輸出到

ouput.txt

如何自 Binary file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 Binary file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 Binary file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。

CPU Control Unit模擬• 在實作 CPU Control Unit的時候，基本上是按照下面這張

State Diagram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：” Introduction to Computer Systems”,Patt and Patel, 2nd Ed., 投影片 Ch4第22頁

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 OP code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 OP code的部份仍然要自己實作）

範例： NOT指令

• 假設同學已經 Decode IR[15:12]的 OP code，知道這道指令是 NOT，由下面的圖可看出，他是要把 Source register裡面的值拿出來取 NOT，然後寫回 Destination register裡。

Note: Src and Dstcould be the same register.

圖片取自：” Introduction to Computer Systems”,Patt and Patel, 2nd Ed., 投影片 Ch5第 6頁

• 由於 NOT指令只需要 Fetch Operand、 Execute和 Store回 Register File，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： typedef unsigned short，其長度為 16-bit

• 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 Source register的編號，把 instr[11:9]的值取出來作為 Destination register的編號

• 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。

• 最後，把 NOT 邏輯運算出來的結果，寫到 Register File當中的 Destination Register。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

題目規格Spec

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 Vector Address是從 0x0070~0x007F

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

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 Supervisor mode和 Non-supervisor mode的差別。

• 不需要考慮真正 LC-3當中，對高位與低位Memory space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。

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：

• NOT r1, r0• NOT r2, r0

Spec• 範例 output.txt輸出內容（第一頁）：

Spec• 範例 output.txt輸出內容（第二頁）：

加分題Bonus

Bonus-1： Live coding• 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 Demo Bonus-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。

• Live coding 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 Demo Bonus。

Bonus-2： Disassembler 反組譯器• 此部份為事先完成的，不是 Live coding• 將輸入的 Binary file，輸出成對應的組合語言程式碼• 輸入檔案： Binary file• 輸出檔案： Assembly language file（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。

評分方式與繳交期限Grading policy & Deadline

Grading policy• 運算類指令： 70%• Load/Store類指令： 15%• Branch類與軟體中斷指令： 15%

• Bonus-1-Live coding： 10%• Bonus-2-Disassembler： 5%

Deadline

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