在开始愉快的PA之旅之前

NEMU是什么?

PA的目的是要实现NEMU, 一款经过简化的全系统模拟器. 但什么是模拟器呢?

你小时候应该玩过红白机, 超级玛丽, 坦克大战, 魂斗罗... 它们的画面是否让你记忆犹新? (希望我们之间没有代沟...) 随着时代的发展, 你已经很难在市场上看到红白机的身影了. 当你正在为此感到苦恼的时候, 模拟器的横空出世唤醒了你心中尘封已久的童年回忆. 红白机模拟器可以为你模拟出红白机的所有功能. 有了它, 你就好像有了一个真正的红白机, 可以玩你最喜欢的红白机游戏. 我们移植了一个红白机模拟器项目FCEUX, 你在PA0中已经克隆了它. 你可以在如今这个红白机难以寻觅的时代, 再次回味你儿时的快乐时光, 这实在是太神奇了!

你被计算机强大的能力征服了, 你不禁思考, 这到底是怎么做到的? 你学习完程序设计基础课程, 但仍然找不到你想要的答案. 但你可以肯定的是, 红白机模拟器只是一个普通的程序, 因为你还是需要像运行Hello World程序那样运行它. 但同时你又觉得, 红白机模拟器又不像一个普通的程序, 它究竟是怎么模拟出一个红白机的世界, 让红白机游戏在这个世界中运行的呢?

事实上, NEMU就是在做类似的事情! 它模拟了一个硬件的世界, 你可以在这个硬件世界中执行程序. 换句话说, 你将要在PA中编写一个用来执行其它程序的程序! 为了更好地理解NEMU的功能, 下面将

• 在GNU/Linux中运行Hello World程序
• 在GNU/Linux中通过红白机模拟器玩超级玛丽
• 在GNU/Linux中通过NEMU运行Hello World程序

这三种情况进行比较.

                         +---------------------+  +---------------------+
                         |     Super Mario     |  |    "Hello World"    |
                         +---------------------+  +---------------------+
                         |    Simulated NES    |  |      Simulated      |
                         |       hardware      |  |       hardware      |
+---------------------+  +---------------------+  +---------------------+
|    "Hello World"    |  |     NES Emulator    |  |        NEMU         |
+---------------------+  +---------------------+  +---------------------+
|      GNU/Linux      |  |      GNU/Linux      |  |      GNU/Linux      |
+---------------------+  +---------------------+  +---------------------+
|    Real hardware    |  |    Real hardware    |  |    Real hardware    |
+---------------------+  +---------------------+  +---------------------+
          (a)                      (b)                     (c)

图中(a)展示了"在GNU/Linux中运行Hello World"的情况. GNU/Linux操作系统直接运行在真实的计算机硬件上, 对计算机底层硬件进行了抽象, 同时向上层的用户程序提供接口和服务. Hello World程序输出信息的时候, 需要用到操作系统提供的接口, 因此Hello World程序并不是直接运行在真实的计算机硬件上, 而是运行在操作系统(在这里是GNU/Linux)上.

图中(b)展示了"在GNU/Linux中通过红白机模拟器玩超级玛丽"的情况. 在GNU/Linux看来, 运行在其上的红白机模拟器NES Emulator和上面提到的Hello World程序一样, 都只不过是一个用户程序而已. 神奇的是, 红白机模拟器的功能是负责模拟出一套完整的红白机硬件, 让超级玛丽可以在其上运行. 事实上, 对于超级玛丽来说, 它并不能区分自己是运行在真实的红白机硬件之上, 还是运行在模拟出来的红白机硬件之上, 这正是"模拟"的障眼法.

图中(c)展示了"在GNU/Linux中通过NEMU执行Hello World"的情况. 在GNU/Linux看来, 运行在其上的NEMU和上面提到的Hello World程序一样, 都只不过是一个用户程序而已. 但NEMU的功能是负责模拟出一套计算机硬件, 让程序可以在其上运行. 事实上, 上图只是给出了对NEMU的一个基本理解, 更多细节会在后续PA中逐渐补充.

NEMU的威力会让你感到吃惊! 它不仅仅能运行Hello World这样的小程序, 在PA的后期, 你将会在NEMU中运行经典游戏仙剑奇侠传(很酷! %>_<%). 完成PA之后, 你在程序设计课上对程序的认识会被彻底颠覆, 你会觉得计算机不再是一个神秘的黑盒, 甚至你会发现创造一个属于自己的计算机不再是遥不可及!

选择你的角色

为了方便叙述, 讲义将用$ISA来表示你选择的ISA, 例如对于nemu/src/isa/$ISA/reg.c, 若你选择的是x86, 它将表示nemu/src/isa/x86/reg.c; 若你选择的是riscv32, 它将表示nemu/src/isa/riscv32/reg.c. 除非讲义明确说明, 否则$ISA总是表示你选择的ISA, 而不是$ISA这四个字符.

最后, 你还需要领取新手礼包 - ISA相关的生存手册 (部分ISA无关的手册请到讲义首页领取):

还等什么呢?

让我们来开始这段激动人心的旅程吧!