CSA-LAB-3

Студент: Таранов Кирилл Викторович
Преподаватель: Пенской Александр Владимирович.
alg -> asm | acc | harv | hw | instr | struct | stream | port | pstr | prob1 | cache
Упрощённый вариант.

Язык программирования

program ::= { line }

line ::= label [ comment ] "\n"
       | instr [ comment ] "\n"
       | [ comment ] "\n"

label ::= label_name ":"

instr ::= op0
        | op1 label_name

op0 ::= "LDA" address
      | "STA" address
      | "ADD" address
      | "SUB" address
      | "MUL" address
      | "DIV" address
      | "INC"
      | "DEC"
      | "JMP" label_name
      | "JZ" label_name
      | "IN"
      | "OUT"
      | "HLT"

address ::= "&" label_name
          | "(" label_name ")"
          | integer

integer ::= [ "-" ] { <any of "0-9"> }-

label_name ::= <any of "a-z A-Z _"> { <any of "a-z A-Z 0-9 _"> }

comment ::= ";" <any symbols except "\n">

Последовательное выполнение

Выполнение программы происходит последовательно, команда за командой, начиная с первой инструкции в секции .code и продолжая до встречи команды HLT или другой команды управления потоком, такой как JMP или JZ.

Области видимости

Глобальные данные

Все данные, объявленные в секции .data, имеют глобальную область видимости. Это означает, что они доступны для всех инструкций в секции .code на протяжении всей программы.

Метки

Метки, используемые в секции .code, определяют точки в программе, к которым можно перейти с помощью команд управления потоком. Метки имеют локальную область видимости в пределах программы, но могут быть использованы для переходов из любой точки секции .code.

Язык программирования Asm

Организация памяти

Модель памяти процессора:

Память команд. Машинное слово -- не определено. Хранит команды программы, реализуется списками словарей. Секция .code
Память данных. Машинное слово -- 32 бит, знаковое. Линейное адресное пространство. Реализуется списком чисел. Используется для хранения данных, объявленных в секции .data.

Адресация:

name	code	desc
addr	&label	Загрузка адреса метки
val	label	Прямая адресация
indir	(label)	Косвенная адресация
no	_	Без операнда

Вложенные типы адресации запрещены. Пример: ((label)), (&label)

Система команд

Особенности процессора:

Машинное слово -- 32 бит, знаковое.
Доступ к памяти данных осуществляется по адресу, хранящемуся в специальном регистре AR.
Поток управления:
- инкремент PC после каждой инструкции;
- условный (JZ) и безусловный (JMP) переходы (использование см. в разделе транслятор).

Набор инструкций

LDA <address> загрузка данных из памяти в аккумулятор, кол-во тактов: 3
STA <address> сохранение данных из аккумулятора в память, кол-во тактов: 3
ADD <address> сложение данных из памяти с аккумулятором, кол-во тактов: 3
SUB <address> вычитание данных из памяти из аккумулятора, кол-во тактов: 3
MUL <address> умножение данных из памяти на аккумулятор, кол-во тактов: 3
DIV <address> деление аккумулятора на данные из памяти, кол-во тактов: 3
INC увеличение значения аккумулятора на 1, кол-во тактов: 1
DEC уменьшение значения аккумулятора на 1, кол-во тактов: 1
JMP <label_name> безусловный переход, кол-во тактов: 1
JZ <label_name> переход, если значение аккумулятора 0, кол-во тактов: 1
IN ввод данных и сохранение в аккумуляторе, кол-во тактов: 1
OUT вывод данных из аккумулятора, кол-во тактов: 1
HLT остановка, кол-во тактов: 1

Транслятор

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

Реализовано в модуле: translator

Принципы работы транслятора

Транслятор выполняет следующие этапы:

Чтение и разделение секций .data и .code:

Ассемблерный код разделяется на секции .data и .code. Секция .data содержит данные, а секция .code - команды.

Обработка секции .data:

каждая строка секции .data обрабатывается для извлечения меток и значений.
значения могут быть зарезервированы (RESERVE) или представлять собой последовательности символов и чисел.
значения добавляются в список данных, и соответствующие метки запоминаются с их адресами.
обработка секции .code:

Каждая строка секции .code обрабатывается для извлечения команд и их аргументов.

если строка содержит метку, эта метка запоминается с текущим адресом команды.
команды добавляются в список текстовых инструкций.
замена меток на адреса и формирование инструкций

В командах текстовой секции метки заменяются на их адреса.

форматируются аргументы команд в зависимости от их типа (адрес, значение, косвенный адрес).

Генерация JSON:

сформированные данные и текстовые инструкции преобразуются в JSON формат.

Пример работы

Пример входного ассемблерного кода:

.data
hello_len: 13
hello: "Hello, World!"
current_pos: 0

.code
    LDA &hello        
    STA current_pos  
print:
    LDA (current_pos)
    OUT              
    LDA current_pos
    INC               
    STA current_pos 
    LDA hello_len
    DEC
    STA hello_len              
    JZ end           
    JMP print     
end:
    HLT

После обработки этот код преобразуется в следующий JSON:

{
    "data": [
        13,
        72,
        101,
        108,
        108,
        111,
        44,
        32,
        87,
        111,
        114,
        108,
        100,
        33,
        0
    ],
    "code": [
        {
            "opcode": "LDA",
            "arg": "&1"
        },
        {
            "opcode": "STA",
            "arg": 14
        },
        {
            "opcode": "LDA",
            "arg": "(14)"
        },
        {
            "opcode": "OUT",
            "arg": null
        },
        {
            "opcode": "LDA",
            "arg": 14
        },
        {
            "opcode": "INC",
            "arg": null
        },
        {
            "opcode": "STA",
            "arg": 14
        },
        {
            "opcode": "LDA",
            "arg": 0
        },
        {
            "opcode": "DEC",
            "arg": null
        },
        {
            "opcode": "STA",
            "arg": 0
        },
        {
            "opcode": "JZ",
            "arg": 12
        },
        {
            "opcode": "JMP",
            "arg": 2
        },
        {
            "opcode": "HLT",
            "arg": null
        }
    ]
}

Модель процессора

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

Реализовано в модуле: machine.

DataPath

Реализован в классе DataPath.

Регистры

AR (Address Register): Содержит адрес для доступа к памяти данных (DataMem).
DR (Data Register): Содержит данные, которые считываются из памяти или записываются в память.
ACC (Accumulator): Основной регистр, используемый для арифметических и логических операций.

ALU (Arithmetic Logic Unit)

Выполняет арифметические и логические операции на операндах, выбранных MUX-ами, и передает результат обратно в ACC.

DataMem (Data Memory)

Память данных, доступ к которой осуществляется через адрес, хранящийся в AR, и управляющие сигналы oe (output enable) и wr (write).

Внешние порты

input port: Порт для ввода данных извне.
output port: Порт для вывода данных вовне.

Флаги

Z-флаг: Флаг нуля, который устанавливается, если результат операции в ALU равен нулю.

Управляющие сигналы

latch_addr: Сигнал для захвата адреса в AR.
latch_dr: Сигнал для захвата данных в DR.
latch_acc: Сигнал для захвата данных в ACC.
latch_input: Сигнал для захвата данных с порта ввода в ACC.
latch_output: Сигнал для вывода данных из ACC в порт вывода.
oe (output enable): Сигнал для чтения данных из памяти.
wr (write): Сигнал для записи данных в память.
alu_op: Управляющий сигнал для выбора операции ALU.
sel_addr: Сигнал выбора для MUX перед AR.
sel_op1: Сигнал выбора для первого операнда ALU.
sel_op2: Сигнал выбора для второго операнда ALU.
sel_acc: Сигнал выбора для MUX перед ACC.

ControlUnit

Реализован в классе ControlUnit.

Hardwired (реализовано полностью на Python).
Метод execute_instruction моделирует выполнение полного цикла инструкции (1-3 такта процессора).
current_phase необходим для многотактовых инструкций;
Цикл симуляции осуществляется в функции step.
Шаг моделирования соответствует одной инструкции с выводом состояния в журнал.
Для журнала состояний процессора используется стандартный модуль logging.
Количество инструкций для моделирования лимитировано.
Остановка моделирования осуществляется при:
- исключении StopIteration -- если выполнена инструкция HLT.

Тестирование

Golden tests реализованны в файле тестов, данные для проверки хранятся здесь.

Линтер

Линтер используется для проверки стиля кода и поиска потенциальных ошибок. В этом проекте используется Ruff для линтинга Python-кода.

Настройка линтера

Конфигурация для линтера Ruff находится в файле pyproject.

Статистика

ФИО	алг	LoC	code байт	code инстр.	инстр.	такт.	вариант
Таранов Кирилл Викторович	hello	21	-	13	131	513	asm \| acc \| harv \| hw \| instr \| struct \| stream \| port \| pstr \| prob1 \| -
Таранов Кирилл Викторович	cat	8	-	5	26	78	asm \| acc \| harv \| hw \| instr \| struct \| stream \| port \| pstr \| prob1 \| -
Таранов Кирилл Викторович	hello_user_name	61	-	44	371	1439	asm \| acc \| harv \| hw \| instr \| struct \| stream \| port \| pstr \| prob1 \| -
Таранов Кирилл Викторович	prob1	71	-	44	44	99	asm \| acc \| harv \| hw \| instr \| struct \| stream \| port \| pstr \| prob1 \| -

k1rtar/csa-lab-3