csa-lab3

Арбатова Ксения Владимировна, P3233
Вариант: asm | acc | neum | hw | instr | struct | stream | mem | pstr | prob2
С упрощением

Язык программирования

Синтаксис

Форма Бэкуса-Наура

<program> ::=
    ".data" <newline> {<data>} <newline>
    ".instructions" <newline> {<instruction>} <newline> <EOF>
    
<data> ::= <label> ": " <value> [comment] <newline>
<instruction> ::= <operand_address_command> <label>| "$"<number> [comment] <newline> |
                 <operand_command> <label>[comment] <newline> |
                 <no_operand_command> [comment] <newline> 


<no_operand_command> ::= "hlt" | "neg" | "pop" | "ldsp" | "in"| "out" | "ald"
<operand_command> ::= "jmp" | "jz" | "jnz" | "st" | "push"
<operand_address_command> ::= "ld" | "add" | "sub" | "mul" | "div" | "or" | "and" | "cmp" | "push"

<value> ::= <number> | "'"<word>"'" 
<label> ::= <word> 

<comment> ::= ";" {<word> | <number>}

<newline> ::= "\n"
<word> ::= <letter> {<letter>}
<number> ::= ["-"]<int> {<int>}
<letter> ::= a | b | c | ... | z | A | B | C | ... | Z
<int> ::= 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9

Объяснение

Пример

Есть две секции, секция данных и инструкций. К данным обращаемся по меткам. Так же, можно загризить число напрямую, используя префикс $.

.data
A: 1
B: 2
sum: 0

.instructions
    ld A
    add B
    add $3
    st sum
    hlt

Резуьтат вычислений будет записан в sum и будет равен 1 + 2 + 3.

Семантика

Видимость данных -- глобальная.
Поддерживаются целочисленные литералы, находящиеся в диапазоне от $-2^{63}$ до $2^{63}-1$.
Поддерживаются строковые литералы, символы стоки необходимо заключить в кавычки.
Код выполняется последовательно.
Переменные могут быть объявлены только в секции .data.
Переменные и метки не могут повторяться.
Метки должны быть объявлены только в секции .instructions , должны быть на отдельной строке, и должны заканчиватся на :.
Числа быть записаны в десятичной системе счисления.
Метки должны быть объявлены до их использования.
Комментарий - любой текст после ;.

Организация памяти

Фон Неймановская архитектура, вся память обьединена.

            memory
    +-----------------+
    |   JMP TO CODE   |
    +-----------------+
    |   STATIC DATA   |
    |                 |
    |                 |
    +-----------------+
    |      CODE       |
    |                 |
    |                 |
    |                 |
    +-----------------+
    |      STACK      |
    |                 |
    |                 |
    +-----------------+

Литералы в статической памяти располагаются в порядке их записи в коде.

Машинное слово - 64 бита, беззнаковое. Так как архитектура аккумуляторная, программист взаимодействует только с аккумулятором, и команды имеют максимум 1 аргумент. Поток управления:

Условный переход (JZ)
Безусловный переход (JMP)
Адресация
- поддерживается прямая адресация, к примеру ld $3 загрузит 3 в аккумулятор
- поддерживается косвенная адресация, ld 3 загрузит число в 3ей ячеки памяти
- поддерживается адресация относительно стек пойнтера, ld @3 загрузит число в ячеки памяти c индексом sp + 3
- поддерживается косвенная относительная адресация, ld #3 загрузит число в ячеки памяти c индексом который хранится в ячейке 3.
Регистры:
- Аккумулятор (ACC) -- хранит результаты вычислений.
- Регистр адреса (AR) -- хранит адрес ячейки памяти.
- Счетчик инструкций (IP) -- хранит адрес следующей инструкции.
- Регистр данных (DR) -- хранит данные для передачи в память.
- Указатель стека (SP) -- хранит адрес вершины стека.
- Регистр состояния (PS) -- хранит флаги состояния процессора в виде битов:
- - N - флаг отрицательности
- - Z - флаг нуля

Система команд

Без аргументов:

hlt - завершение программы
not - логическое НЕ к аккумулятору, 0 -> 1 или !0 -> 0
neg - изменить знак аккумулятора, N = !N
pop - снять значение со стека и записать в ACC
in - ввод данных в АСС
out - вывод данных из АСС

Переход:

jmp - безусловный переход к arg1
jz - если Z = 1, переход к arg1
jnz - если Z = 0, переход к arg1

С аргументом:

ld - записать из arg1 в ACC
ST - записать из аккумулятора в arg1
add - добавить к ACC arg1
sub - вычесть из ACC arg1
or - побитовое ИЛИ ACC с arg1
and - побитовое И ACC с arg1
cmp - Проставить флаги NZ как при операции ACC - arg1
push - Записать значение ACC в стек
inc - инкрементировать АСС
dec - декрементировать АСС

Кодирование команд

Команды сериализуются в список JSON
Каждая команда представляется объектом с полями:
- index - ячейка памяти
- opcode - код операции.
- arg - значение операнда. Для команд без операндов используется 0
- adr - указывает, какой вид адресации использует команда.

Пример сериализации команд:

Исходный код:

    .data
        A: 1
        B: 2
        sum: 0

    .instructions
        ld A
        add B
        add $3
        st sum
        hlt

Сериализованный код:

[{"index": 0, "opcode": "jmp", "arg": 4, "term": [3, 0, "Jump to start"], "adr": "direct"},
 {"index": 1, "arg": 1},
 {"index": 2, "arg": 2},
 {"index": 3, "arg": 0},
 {"index": 4, "opcode": "ld", "arg": 1, "term": [1, 0, "ld A"], "adr": "indirect"},
 {"index": 5, "opcode": "add", "arg": 2, "term": [2, 0, "add B"], "adr": "indirect"},
 {"index": 6, "opcode": "add", "arg": 3, "term": [3, 0, "add $3"], "adr": "direct"},
 {"index": 7, "opcode": "st", "arg": 3, "term": [4, 0, "st sum"], "adr": "indirect"},
 {"index": 8, "opcode": "hlt", "term": [5, 0, "hlt"], "adr": "indirect"}]

Транслятор

Интерфейс командной строки: translator.py <source_file> <target_file>

Правила трансляции:

Одна переменная - одна строка.
Одна команда - одна строка.
Метки пишутся в отдельной строке.
Названия секций пишутся в отдельной строке.
Ссылаться можно только на существующие переменные и метки.

Модель процессора

Интерфейс командной строки: machine.py <code_file> <input_file>

DataPath

Класс data_path реализует управление памятью и регистрами процессора.

ControlUnit

Класс control_unit реализует управление процессором.

Тестирование

Тестирование осуществляется при помощи golden test-ов.

Golden тесты:

Аналитика

| Арбатова Ксения Владимировна  | hello | 1         | -             | 17            | 26       | 224     | asm | acc | neum | hw | instr | struct | stream | mem | pstr | prob2

| Арбатова Ксения Владимировна  | cat   | 4         | -             | 19            | 15       | 84      | asm | acc | neum | hw | instr | struct | stream | mem | pstr | prob2

| Арбатова Ксения Владимировна | prob2 | 15        | -             | 27            | 24      | 674     | asm | acc | neum | hw | instr | struct | stream | mem | pstr | prob2

Arbato/csa-lab3