ppgy0711 / mipsassembler

QT开发的MIPS模拟器，指令和格式规范均参考《ZPC之MIPS指令集2019》

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MIPS模拟器

设计要求

以程序模拟MIPS运行，功能包括：

1、汇编器：输入汇编指令，转换成机器码模拟执行。

2、读入汇编好的机器码(二进制)，显示对应的汇编指令(反汇编)，并模拟执行。

要求：

1、模拟器运行界面设计：可以命令行或窗口界面。列表显示32个寄存器。

2、可执行多条指令。可观察寄存器、内存的变化。

使用工具及环境

语言

• C++

开发工具

• Qt Creator 5.9.0

电脑配置

• 操作系统环境：Windows 10 专业版64位
• 处理器：Intel(R) Core(TM) i7-6600U CPU @ 2.60GHz(4 CPUS), ~2.8GHz
• 内存：8192MB RAM

拟支持的架构

• 32位MIPS架构，RISC指令结构。CPU包含32个32位通用寄存器，包括一协处理器CP0，其中有EPC、CAUSE、STUTAS三个特殊寄存器。

• 存储器为32位寻址，以16位为最小寻址单位zjie，最大直接寻址范围为4Gx16位。32位数据寄存器按大头（Big-Endian）方式存取。

• 字符统一按16位存储，ASCii字符高8位补零，汉字字符按GB2312编码存储。

拟支持的指令集

拟支持的常规指令集

序	指令	型	部件	指令格式	op	rs	rt	rd	sa	fun
1	ADD	R	ALU	add rd,rs,rt	0	rs	rt	rd	0	32
2	SUB	R	ALU	sub rd,rs,rt	0	rs	rt	rd	0	34
3	SLT	R	ALU	slt rd,rs,rt	0	rs	rt	rd	0	42
4	SLTU	R	ALU	sltu rd,rs,rt	0	rs	rt	rd	0	43
5	AND	R	ALU	and rd,rs,rt	0	rs	rt	rd	0	36
6	OR	R	ALU	or rd,rs,rt	0	rs	rt	rd	0	37
7	XOR	R	ALU	xor rd,rs,rt	0	rs	rt	rd	0	38
8	NOR	R	ALU	nor rd,rs,rt	0	rs	rt	rd	0	39
9	SLL	R	ALU	sll rd,rs,sa	0	rs	0	rd	sa	0
10	SLLV	R	ALU	sllv rd,rs,rt	0	rs	rt	rd	0	4
11	SRL	R	ALU	srl rd,rs,sa	0	rs	0	rd	sa	2
12	SRLV	R	ALU	srlv rd,rs,rt	0	rs	rt	rd	0	6
13	SRA	R	ALU	sra rd,rs,sa	0	rs	0	rd	sa	3
14	SRAV	R	ALU	srav rd,rs,rt	0	rs	rt	rd	0	7
15	JR	R	PC	jr rs	0	rs	0	0	0	8
16	JALR	R	PC	jalr rs,rd	0	rs	0	rd	0	9
17	MFC0	C	SYS	mfc0 rt,rc	16	0	rt	rc	0	0
18	MTC0	C	SYS	mtc0 rt,rc	16	4	rt	rc	0	0
19	ERET	C	SYS	eret	16	16	0	0	0	24
20	SYSCALL	R	SYS	syscall	0	0	0	0	0	12
21	MUL	R		mul rd,rs,rt	28	rs	rt	rd	0	2
22	MULT	R		mult rs,rt	0	rs	rt	0	0	24
23	MULTU	R		multu rs,rt	0	rs	rt	0	0	25
24	DIV	R		div rs,rt	0	rs	rt	0	0	26
25	DIVU	R		divu rs,rt	0	rs	rt	0	0	27
26	MFHi	R		mfhi rd	0	0	0	rd	0	16
27	MFLo	R		mflo rd	0	0	0	rd	0	17
28	MTHi	R		mthi rs	0	rs	0	0	0	18
29	MTLo	R		mtlo rs	0	rs	0	0	0	19
30	LUI	I	ALU	lui rt,dat	15	0	rt	dat
31	ADDI	I	ALU	addi rt,rs,dat	8	rs	rt	dat
32	SLTI	I	ALU	slti rt,rs,dat	10	rs	rt	dat
33	SLTIU	I	ALU	sltiu rt,rs,dat	11	rs	rt	dat
34	ANDI	I	ALU	andi rt,rs,dot	12	rs	rt	dot
35	ORI	I	ALU	ori rt,rs,dot	13	rs	rt	dot
36	XORI	I	ALU	xori rt,rs,dot	14	rs	rt	dot
37	LW	I	MEM	lw rt,dat(rs)	35	rs	rt	dat
38	LWX	I	MEM	lwx rt,dat(rs)	34	rs	rt	dat
39	LH	I	MEM	lh rt,dat(rs)	33	rs	rt	dat
40	LHX	I	MEM	lhx rt,dat(rs)	32	rs	rt	dat
41	LHU	I	MEM	lhu rt,dat(rs)	37	rs	rt	dat
42	LHUX	I	MEM	lhux rt,dat(rs)	36	rs	rt	dat
43	SW	I	MEM	sw rt,dat(rs)	43	rs	rt	dat
44	SWX	I	MEM	swx rt,dat(rs)	42	rs	rt	dat
45	SH	I	MEM	sh rt,dat(rs)	41	rs	rt	dat
46	SHX	I	MEM	shx rt,dat(rs)	40	rs	rt	dat
47	BEQ	I	PC	beq rs,rt,ofs	4	rs	rt	ofs
48	BNE	I	PC	bne rs,rt,ofs	5	rs	rt	ofs
49	BGEZAL	I	PC	Bgezal rs,ofs	1	rs	17	ofs
50	J	J	PC	j adr	2	adr
51	JAL	J	PC	jal adr	3	adr

拟支持的伪指令集

序	指令	功能	格式	展开
1	PUSH	进栈	push %1,%2,…	addi $sp,$sp,-n*2 sw %1, 0($sp) sw %2, 2($sp) …
2	POP	出栈	pop %1,%2,…	lw %1, 0($sp) lw %2, 2($sp) … addi $sp,$sp, n*2
3	MOVE	赋值	move %1,%2	or %1,%2,$zero
4	SHI	写数	shi %1,%2(%3)	addi $at,$zero,%1 sh $at, %2(%3)
5	SHIX	写数	shix %1,%2(%3)	addi $at,$zero,%1 shx $at, %2(%3)
6	INC	加一	inc %1	addi %1,%2,1
7	DEC	减一	dec %1	addi %1,%2,-1
8	ADDU	无符号加	addu %1,%2,%3	add %1,%2,%3
9	ADDIU	无立加	addiu %1,%2,%3	add %1,%2,%3
10	SUBU	无符号减	subu %1,%2,%3	sub %1,%2,%3
11	NOT	取反	not %1,%2	nor %1,%2,%2
12	NEG	取负	neg %1,%2	sub %1,$zero,%2
13	ABS	绝对值	abs %1,%2	sra $at,%2,31 xor %1,%2,$at sub %1,%1,$at
14	SWAP	交换	swap %1,%2	xor %1,%1,%1 xor %2,%1,%2 xor %1,%1,%2
15	B	转移	b %1	beq $zero,$zero,%1
16	BEQZ	转移	beqz %1,%2	beq %1,$zero,%2
	li	立即数	li %1,%2	if(data<-32768||data>32767){ lui %1, HIGH %2 ori %1,%1, LOW %2 } else addi %1,$zero,%2
18	la	取地址	la %1,%2	if(data<-32768||data>32767{ lui %1,HIGH %2 ori %1,%1,LOW %2 } else addi %1,%zero,%2

界面设计

功能点实现

汇编

在MIPS Assemble选项卡的输入框中可以输入MIPS汇编代码，提供基本的语法高亮功能，语言规范见“使用指南——语法规范”部分。

反汇编

在MachineCode选项卡的输入框中可以输入二进制机器码，同样可以接受以字符'#'开头的行注释，不支持跨行长注释。

模拟执行

提供两个按钮"Execute MIPS Code"和"Execute Machine Code"分别可以执行汇编代码输入的程序和二进制机器码输入的程序，结束后ControlPanel会显示最后一条被执行的指令信息，寄存器和主窗口会显示寄存器内容和程序的输出。

模拟调试

提供两个按钮"Debug MIPS Code"和"Debug Machine Code"分别可以单步调试汇编代码输入的程序和二进制机器码输入的程序，每执行一步寄存器和主窗口、控制面板会同步显示，调试结束前不能执行程序，暂未提供结束调试按钮，程序执行全部结束后ControlPanel会显示最后一条被执行的指令信息，寄存器和主窗口会显示寄存器内容和程序的完整输出。

重启

按下reboot按钮能够重启模拟器，回到欢迎界面和重置寄存器，在代码输入区仍保留上一次输入的代码或者机器码。

使用指南

语言规范

1. 语言区分大小写，所有关键字均为小写。

   1. 指令关键字
   2. 格式指令关键字
      1. 变量说明
      2. 格式说明
   3. 寄存器名
   4. 表达式操作符

2. 分隔符有：

   1. 空格' '，制表符'\t'——用于所有符号之间的间隔，可重复使用。
   2. 逗号','——用于操作数、变量之间的常数间隔
   3. 冒号':'——程序标号的表明标识。
   4. 井号'#'：注释标识符。

3. 每行指令一行

4. 标号需要与指令同一行。

5. 每个程序只能在一个文件中。暂无连接。

6. 支持格式指令与变量名定义。

   1. 格式指令集

      格式变量	功能	用法	说明
      equ	符号常量	符号 equ xx	定义符号常量
      .origin	起始地址	.origin adr	设置汇编程序绝对地址
      .data	数据段	.data	数据段
      .text	代码段	.text	代码段
      .end	程序结束	.end	系统程序结束
      .space	留空	.space n	申请保留存储器空间，以zjie为单位
      .zjie	16-bit字节	变量 .zjie xx	zjie变量
      .2zjie	32-bit字节	变量 .2zjie xx	字变量32位
      .word	字32-bit	变量 .word xx	32位字变量

   2. 特别说明在变量定义时，由于处理字符串能力问题，仅支持使用单引号''包含字符串，如以下实例。

      #字符串变量定义
      Str .zjie '你好'

   3. 变量名定义规范同C语言标识符定义规范，区分大小写。

7. 所支持的MIPS关键字

   1. 寄存器：

      #1.通用寄存器
      $zero, $at, $v0, $v1, $a0, $a1, $a2, $a3, 
      $t0, $t1, $t2, $t3, $t4, $t5, $t6, $t7, 
      $s0, $s1, $s2, $s3, $s4, $s5, $s6, $s7, 
      $t8,  $t9, $k0, $k1, $gp, $sp, $fp, $ra
      #可用数字格式$0-$31
      
      #协处理器寄存器
      "STATUS","CAUSE","EPC"

   2. 所支持的指令集（包含操作符）：见上两个表格。

系统调用功能说明

暂时仅支持一个系统调用功能print_char，中断号为11，均使用软件模拟，非MIPS代码实现。

使用示例如下：

打印字符'5'

addi $a0,$a0,0x35 #打印字符'5'
li $v0, 11
syscall

结果如下：

打印换行和数字字符

addi $a0,$a0,0x35 #打印字符'5'
li $v0, 11
syscall
move $a0,$zero
addi $a0,$a0,0x36 #打印字符'6'
li $v0, 11
syscall
move $a0,$zero
addi $a0,$a0,0x0a #打印字符'\n'
li $v0, 11
syscall
move $a0,$zero
addi $a0,$a0,0x37 #打印字符'7'
li $v0, 11
syscall

结果如下：

内存设计说明

• 程序以zijie寻址，每条指令2zjie，支持MIPS编译器
• 总内存：0x4000zjie; #16384
• 显存：0x3000zjie; #0x1000[4096zjie]
• 堆栈：$sp,$gp初始化为0x5001，堆栈从0x4000zjie开始，共0x1000[4096]zjie，使用时地址从高位向低位变化。

参考资料

• 《ZPC之MIPS指令集2019》
• 《计算机组成与设计——硬件软件接口》原书第五版，机械工程出版社

心得体会

硬件模拟困难

本次的设计是在之前Qt开发的MIPS汇编器的基础上开发的，开发过程中也发现了之前的设计当中还存在一些问题，比如协处理器指令没有与R类型指令分开，伪指令处理当中的标号添加问题等。在这一次的设计当中，由于最终是要显示在窗口，为了读程序方便，去掉了标号，直接显示成数字。

在对内存、中断等硬件实现的模拟方面，遇到了比较多的困难，需要对硬件的功能加以熟悉和理解。比如中断机制等的实现，在这一次的编码实现过程当中由于自己设计上的缺陷，没能通过交互界面模拟实现更多的中断，这一点比较遗憾，今后有时间会继续改进。

字符编码转换

在使用Qt开发的过程中，在字符串的编码转换方面遇到了一些困难，比如在dev c++中逐个打印字符串中字符的编码，发现中文字符对应的是GBK编码，刚好能用16位无符号短整数存储，但是在Qt当中直接打印string类型的变量，大部分都是乱码；通过逐个打印字符编码看出，汉字在Qt的string当中默认使用的utf8编码而不是GBK，一个汉字使用3个Byte，即24位编码，这样导致了如果直接把string类型转化成QString通过窗口控件输出，汉字都是乱码。最后不得不使用了两次编码转换才解决乱码的问题。

异常判断困难

这次的设计当中，在异常处理方面的管理可能比较弱，因为汇编代码是自己输入的，当输入错误代码的时候，有太多的地方可能存在错误导致程序异常退出，这一点在今后的改进当中需要解决。