南京大学 计算机科学与技术系 计算机系统基础 课程实验 2024

实验前阅读

最新消息(请每天至少关注一次)

• 学术诚信(什么事情能做, 什么不能)
• 常见问题(对PA的各种困惑)
• 如何正确求助: 提问的智慧和别像弱智一样提问
• 外部资源
  • PA习题课 (2023 秋季学期, 王慧妍老师): 课程资料
  • 中国大学MOOC的ICS理论课 (袁春风老师): 上, 中, 下
  • 南大SICP编程课
    • 如果你觉得自己的编程基础不过关, 墙裂推荐自学这门课
    • 虽然它教的是python, 但语言的语法是次要的, 对编程思维的锻炼才是最重要的
  • OS课 (2023 春季学期, 蒋炎岩老师)
  • PA往期习题课
    • 2022 秋季学期, 王慧妍老师: 课程资料
    • 2021 秋季学期, 王慧妍老师: 课程资料
    • 2020 秋季学期, 蒋炎岩老师: 课程资料, B站录播

---

• 2024/01/25
• 本讲义目前处于测试阶段, 在2024年秋季学期开始前, 将被视为往届讲义材料. 如果你是修读2024年秋季ICS课程的学生, 请勿使用本讲义代替2024年秋季ICS课程的PA实验讲义, 提交本实验内容将被视为没有提交.

离线阅读实验讲义

实验讲义页面通过github page发布, 但其网络可能不稳定. 你可以把这个仓库克隆到本地, 然后通过浏览器来离线阅读讲义.

但随着讲义内容的更新, 你将无法自动地阅读到最新版本的内容. 你需要在仓库路径中手动执行bash update.sh来将最新版本的内容同步到本地. 再次强调, 如果你选择了离线阅读方式, 将由你来负责获取最新的讲义内容.

如何求助

• 实验前请先仔细阅读本页面以及为什么要学习计算机系统基础.
• 如果你在实验过程中遇到了困难, 并打算向我们寻求帮助, 请先阅读提问的智慧和别像弱智一样提问这两篇文章.
• 如果你发现了实验讲义和材料的错误或者对实验内容有疑问或建议, 请通过邮件的方式联系余子濠(zihaoyu.x#gmail.com)

小百合系版"有像我一样不会写代码的cser么?"回复节选

• 我们都是活生生的人, 从小就被不由自主地教导用最小的付出获得最大的得到, 经常会忘记我们究竟要的是什么. 我承认我完美主义, 但我想每个人心中都有那一份求知的渴望和对真理的向往, "大学"的灵魂也就在于超越世俗, 超越时代的纯真和理想 -- 我们不是要讨好企业的毕业生, 而是要寻找改变世界的力量. -- jyy
• 教育除了知识的记忆之外, 更本质的是能力的训练, 即所谓的training. 而但凡training就必须克服一定的难度, 否则你就是在做重复劳动, 能力也不会有改变. 如果遇到难度就选择退缩, 或者让别人来替你克服本该由你自己克服的难度, 等于是自动放弃了获得training的机会, 而这其实是大学专业教育最宝贵的部分. -- etone
• 这种"只要不影响我现在survive, 就不要紧"的想法其实非常的利己和短视: 你在专业上的技不如人, 迟早有一天会找上来, 会影响到你个人职业生涯的长远的发展; 更严重的是, 这些以得过且过的态度来对待自己专业的学生, 他们的survive其实是以透支南大教育的信誉为代价的 -- 如果我们一定比例的毕业生都是这种情况, 那么过不了多久, 不但那些混到毕业的学生也没那么容易survive了, 而且那些真正自己刻苦努力的学生, 他们的前途也会受到影响. -- etone

实验方案

理解"程序如何在计算机上运行"的根本途径是从"零"开始实现一个完整的计算机系统. 南京大学计算机科学与技术系计算机系统基础课程的小型项目 (Programming Assignment, PA)将提出x86/mips32/riscv32(64)架构相应的教学版子集, 指导学生实现一个经过简化但功能完备的x86/mips32/riscv32(64)模拟器NEMU(NJU EMUlator), 最终在NEMU上运行游戏"仙剑奇侠传", 来让学生探究"程序在计算机上运行"的基本原理. NEMU受到了QEMU的启发, 并去除了大量与课程内容差异较大的部分. PA包括一个准备实验(配置实验环境)以及5部分连贯的实验内容:

• 图灵机与简易调试器
• 冯诺依曼计算机系统
• 批处理系统
• 分时多任务
• 程序性能优化

实验环境

• CPU架构: x64
• 操作系统: GNU/Linux
• 编译器: GCC
• 编程语言: C语言

如何获得帮助

在学习和实验的过程中, 你会遇到大量的问题. 除了参考课本内容之外, 你需要掌握如何获取其它参考资料.

但在此之前, 你需要适应查阅英文资料. 和以往程序设计课上遇到的问题不同, 你会发现你不太容易搜索到相关的中文资料. 回顾计算机科学层次抽象图, 计算机系统基础处于程序设计的下层. 这意味着, 懂系统基础的人不如懂程序设计的人多, 相应地, 系统基础的中文资料也会比程序设计的中文资料少.

如何适应查阅英文资料? 方法是尝试并坚持查阅英文资料.

搜索引擎, 百科和问答网站

为了查找英文资料, 你应该使用下表中推荐的网站:

	搜索引擎	百科	问答网站
推荐使用	这里有google搜索镜像	http://en.wikipedia.org	http://stackoverflow.com
不推荐使用	http://www.baidu.com	http://baike.baidu.com	http://zhidao.baidu.com http://bbs.csdn.net

一些说明:

• 一般来说, 百度对英文关键词的处理能力比不上Google.
• 通常来说, 英文维基百科比中文维基百科和百度百科包含更丰富的内容. 为了说明为什么要使用英文维基百科, 请你对比词条前束范式分别在百度百科, 中文维基百科和英文维基百科中的内容.
• stackoverflow是一个程序设计领域的问答网站, 里面除了技术性的问题(What is ":-!!" in C code?)之外, 也有一些学术性(Is there a regular expression to detect a valid regular expression?) 和一些有趣的问题(What is the “-->” operator in C++?).

官方手册

官方手册包含了查找对象的所有信息, 关于查找对象的一切问题都可以在官方手册中找到答案. 通常官方手册的内容十分详细, 在短时间内通读一遍基本上不太可能, 因此你需要懂得"如何使用目录来定位你所关心的问题". 如果你希望寻找一些用于快速入门的例子, 你应该使用搜索引擎.

这里列出一些本课程中可能会用到的手册:

• x86
  • Intel 80386 Programmer's Reference Manual (PDF)(HTML)
  • System V ABI for i386
• mips32
  • MIPS32 Architecture For Programmers (Volume I, Volume II, Volume III)
  • System V ABI for mips32
• riscv32(64)
  • The RISC-V Instruction Set Manual (Volume I, Volume II)
  • ABI for riscv
• ISA无关的手册
  • System V generic ABI
  • C99 Standard
  • GCC 10.3.0 Manual
  • GDB User Manual
  • GNU Make Manual
  • On-line Manual Pager (即man, 这里有一个入门教程)

GNU/Linux入门教程

jyy为我们准备了一些GNU/Linux入门教程, 如果你是第一次使用GNU/Linux, 请阅读以下材料

• 流传自远古时代的OS实验课程网站中的Linux入门教程
• The Missing Semester of Your CS Education(墙裂推荐)

许可协议

本作品采用知识共享 署名-非商业性使用-相同方式共享 3.0 中国大陆许可协议进行许可. 要查看该许可协议, 可访问这里, 或者写信到 Creative Commons, PO Box 1866, Mountain View, CA 94042, USA.