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!

cd ics2021
bash init.sh am-kernels

cd am-kernels/tests/am-tests
make ARCH=native mainargs=k run

apt-get install ccache

which gcc

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RPG游戏仙剑奇侠传(很酷! %>_<%). 如果你完成了所有的选做编程内容, 你甚至可以在NEMU中运行现代文字冒险游戏CLANNAD! 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.

NEMU的框架代码会把riscv32作为默认的ISA, 如果你希望选择其它ISA, 你需要在NEMU的工程目录下执行make menuconfig, 然后在Base ISA一栏中切换到你选择的ISA, 然后保存配置并退出菜单.

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!