NEMU PA1实验：单步执行与表达式求值实现

1. NEMU PA1实验概览与核心目标

NEMU（NJU Emulator）是南京大学计算机系统基础课程的核心实验平台，PA1作为第一个编程作业，承担着从理论到实践的关键过渡作用。这个实验看似简单，却包含了计算机系统最基础的三个能力模块：单步执行机制、表达式求值系统和完整实验框架的实现。我在实际完成这个实验时发现，很多同学（包括当年的我自己）容易陷入"只求通过测试用例"的误区，而忽略了这些基础模块在整个计算机体系中的重要意义。

单步执行不仅仅是实现一个简单的指令步进功能，它实际上是现代调试器的雏形。在真实的CPU中，单步执行依赖于硬件断点和陷阱标志位的配合，而在NEMU中我们需要用软件模拟这一机制。表达式求值则直接关联到编译器的前端处理流程，特别是当涉及中缀表达式转后缀表达式时，这个算法会在后续的编译器实验中反复出现。至于完整实验实现，它教会我们如何在一个已有框架中添加新功能，这种能力在参与开源项目或企业级开发时尤为重要。

2. 单步执行机制的实现细节

2.1 基础执行流程改造

NEMU默认的执行模式是连续运行直到遇到断点或程序结束。要实现单步执行，首先需要理解CPU执行指令的底层循环。在cpu-exec.c文件中，我们可以找到主执行循环：

c复制void cpu_exec(uint64_t n) {
    for (;n > 0; n--) {
        exec_wrapper();
    }
}

改造方案是在每次执行exec_wrapper()后检查单步执行标志位。我建议添加一个全局变量is_single_step和对应的设置函数：

c复制static bool is_single_step = false;

void set_single_step(bool flag) {
    is_single_step = flag;
}

然后在主循环中加入中断检查逻辑：

c复制void cpu_exec(uint64_t n) {
    for (;n > 0; n--) {
        exec_wrapper();
        if (is_single_step) {
            is_single_step = false;
            break;
        }
    }
}

注意：这里不能直接返回，因为需要保证CPU状态的一致性。我在第一次实现时犯了这个错误，导致寄存器状态没有正确保存。

2.2 断点与单步的协同处理

真正的挑战在于处理单步执行与断点的交互。当同时存在断点和单步执行请求时，应该优先响应哪个？经过多次测试，我发现最合理的处理顺序是：

1. 执行当前指令
2. 检查断点触发条件
3. 检查单步执行标志
4. 更新PC寄存器

这个顺序确保了即使单步执行被触发，断点检查仍然有效。实现代码大致如下：

c复制void exec_wrapper() {
    DecodeExecState s;
    s.is_jmp = false;
    s.seq_pc = cpu.pc;
    
    // 实际指令执行
    isa_exec_once(&s);
    
    // 更新PC（除非是跳转指令）
    if (!s.is_jmp) {
        cpu.pc += s.width;
    }
    
    // 先检查断点
    if (check_breakpoints(cpu.pc)) {
        return;
    }
    
    // 再检查单步执行
    if (is_single_s