Лабораторная работа №3 "Эксперимент"

Вариант

• Сорокин Артём Николаевич. P3206

asm | stack | harv | mc -> hw | tick -> instr | struct | stream | mem | cstr | prob2 | cache

• Упрощенный вариант

Расшифровка

• Ассемблер
• Стековая архитектура процессора
• Гарвардская архитектура памяти
• Hardwired
• Точность до инструкций
• Хранение кода как высокоуровневой архитектуры
• Потоковый ввод-вывод
• Порты ввода-вывода отображаются в память
• C-strings (длина + содержимое)
• Prob 2. Even Fibonacci numbers
• Кеш (не реализован)

Содержание

• Вариант
  • Расшифровка
• Содержание
• ЯП
  • Синтаксис
  • Семантика
  • Типы аргументов
• ISA
  • Формат инструкций
• Память
• Транслятор
• Модель процессора
• Статистика

ЯП

Синтаксис

Ассемблер:

<line> ::= <label> <comment>? "\n"
       | <instr> <comment>? "\n"
       | <comment> "\n"

<program> ::= <line>*

<label> ::= <label_name> ":"

<instr> ::= <op0>
        | <op1> " " <label_name>
        | <op1> " " <positive_integer>

<op0> ::= "nop"
      | "pop"
      | "inc"
      | "dup"
      | "swap"
      | "ret"
      | "hlt"

<op1> ::= "push"
      | "ld"
      | "st"
      | "add"
      | "sub"
      | "and"
      | "or"
      | "jl"
      | "jle"
      | "jmp"
      | "call"

Семантика

Код выполняется последовательно, одна инструкция за другой. Список доступных инструкций см. ISA

Метки определяются на отдельной строке исходного кода:

label:
        pop

Далее метки могут быть использованы (неважно, до или после определения) в исходном коде

label_addr:
        push label ; на вершине стека находится адрес на ячейку памяти pop

Метки не чувствительны к регистру. Повторное определение меток недопустимо.
Определение меток label и LaBeL считается повторением.

Использовать определённую метку можно неограниченное число раз.
Транслятор поставит на место использования метки адрес той инструкции, перед которой она определена.

Любая программа обязана иметь метку start, указывающую начало программы.

Типы аргументов

• operand - операнд (адреса, значения, метки)
• none - без операнда

Если операнд не указан, в качестве него будет использоваться значение на вершине стека.

ISA

Особенности процессора:

• Машинное слово – не определено.
• Доступ к памяти осуществляется по адресу из специального регистра. Значение в нем может быть защелкнуто либо из PC, либо из вершины стека
• Обработка данных осуществляется в стеке. Данные попадают в стек из памяти, либо из устройств ввода/вывода.
• Поток управления:
  • Значение PC инкрементируется после исполнения каждой инструкции,
  • Условные (JL, JLE) и безусловный (JMP) переходы.

Набор инструкций:

NOP         none     - нет операции
SWAP        none     - меняет местами значения на стеке
PUSH        operand  - кладет значение на вершине стека
POP         none     - убирает значение с вершины стека
LD          operand  - загружает значение из памяти
ST          operand  - сохраняет значение в память
DUP         none     - дублирует значение на вершине стека
JMP         operand  - совершает безусловный переход по указанному адресу
JL          operand  - совершает условный переход по указанному адресу (если значение на вершине стека меньше 0)
JLE         operand  - совершает условный переход по указанному адресу (если значение на вершине стека меньше или равно 0)
CALL        operand  - вызывает подпрограмму
RET         none     - выходит из подпрограммы
INC         none     - увеличивает значение на стеке на 1
ADD         operand  - добавляет число
SUB         operand  - вычитает число
OR          operand  - операция ЛОГИЧЕСКОЕ ИЛИ
AND         operand  - операция ЛОГИЧЕСКОЕ И
HLT         none     - останавливает тактовый генератор

Формат инструкций

Согласно варианту машинный код хранится в высокоуровневой структуре. Это реализуется списком словарей (в python соответствуют JSON объектам). Один элемент списка — это одна инструкция. Инструкция представлена списком в виде индекса инструкции в списке, инструкцией, аргументом или пустой строкой в случае его отсутствия. Индекс инструкции в списке – адрес этой инструкции в памяти команд.

Пример скомпилированной программы:

{
  "code" :[
    [
      "0",
      "push",
      "3"
    ],
    [
      "1",
      "push",
      "4"
    ],
    [
      "2",
      "add",
      ""
    ],
    [
      "3",
      "st",
      "5"
    ]
    [
      "4",
      "pop",
      ""
    ],
    [
      "5",
      "hlt",
      ""
    ]
  ],
  "memory" :[
    [
      "3",
      "1"
    ],
    [
      "4",
      "2"
    ],
    [
      "5",
      "0"
    ]
  ]
}

Где:

• memory – память данных
• code - список инструкций

Система команд реализована в модуле ISA.

Память

• Вся внешняя память - статическая, SRAM
• Машинное слово – не определено. Инструкции хранятся в высокоуровневой структуре данных.
• Программа и данные хранятся в раздельной памяти согласно Гарвардской архитектуре. Программа состоит из набора инструкций, последняя инструкция – hlt.
• Адресация – прямая, абсолютная, доступ к словам.
• Доступ к памяти осуществляется по адресу c вершины стека

address	content
00	Input address
01	Output address
02	Output number
...	...
c+0	Variable 1
...	...

Транслятор

Формат запуска: ./translator.py <input_file> <output_file> Реализован в translator.py Компиляция осуществляется в 3 прохода по тексту программы:

• Проход по секции .data: преобразовывает данные в словарь переменная -> адрес в памяти данных.
• Первый проход по секции .text: получает словарь метка -> адрес в памяти команд.
• Второй проход по секции .text: подставляет все переменные и метки используя словари полученные на этапах выше.

Модель процессора

Формат запуска: ./machine.py <machine_code_file> <input_file>

DataPath

Реализован в классе DataPath.

• BR - буферный регистр
• Data Stack - стек данных
• Data Memory - память данных
• Instruction Memory - память инструкций
• TOS - вершина стека
• ALU - арифметико-логическое устройство

Сигналы:

• l_null_alu - на левый вход ALU подается 0
• push - добавить значение на вершину Data Stack
• pop - извлечь значние с вершины Data Stack
• write - записать значение
• address - установить адрес памяти
• instr_to_alu - инструкция на правый вход ALU
• br_to_alu - значение BR на правый вход ALU
• instr_addr - установить адрес в Instruction Memory
• latch_br - защелкнуть BR

ControlUnit

Реализован в классе ControlUnit

• PC- Program counter, счетчик команд
• Return Stack - стек с адресами возвратов подпрограмм
• Instruction Decoder - интерпретатор машинных инструкций, если инструкция имеет операнд, то подается сигнал.

Сигналы:

• ret_push - положить адрес возврата на Return Stack
• ret_pop - извлечь значение с вершины Return Stack
• ret - извлечь из вершины Return Stack значение в PC
• jmp - записать адрес в PC
• latch_pc - защелкнуть PC

Статистика

| ФИО                         | алг        | LoC | code инстр. | инстр. | вариант                                                                |
| Сорокин Артем Николаевич    | hello user | 51  | 28          | 413    | asm | stack | harv | hw | instr | struct | stream | mem | cstr | prob2 |
| Сорокин Артем Николаевич    | cat        | 11  | 6           | 62     | asm | stack | harv | hw | instr | struct | stream | mem | cstr | prob2 |
| Сорокин Артем Николаевич    | hello world| 17  | 10          | 110    | asm | stack | harv | hw | instr | struct | stream | mem | cstr | prob2 |
| Сорокин Артем Николаевич    | prob2      | 42  | 29          | 83     | asm | stack | harv | hw | instr | struct | stream | mem | cstr | prob2 |