Архитектура компьютера

Лабораторная работа №3

О проекте

Степанов Михаил Алексеевич
asm | acc | neum | mc | tick | struct | stream | mem | prob5

Язык программирования [Assembler]

Примечания:

Каждая строка рассматривается как отдельная операция (или метка).
Модель вычислений построена вокруг аккумулятора, результат всех вычислений записывается в аккумулятор и берется из него же.
Переменные имеют глобальную область видимости.

Синтаксис языка

<Program>  := ".data:" <Pointers> ".text:" <Commands>
           | ".text:" <Commands>
          
<Pointers> := ""
           | <Pointer> <Pointers>
          
<Pointer>  := <Word> <Number>
           | <Word> "'" <Word> "'"
        
<Commands> := ""
           | <Command> <Comment> <Commands>
           | <Command> <Commands>
           
<Comment>  := "//" <Word>
           
<Command> := <Op0>
           | <Op1> <Number>
           | <Op1> <Word>
           | <OpJmp> "." <Word>
           | "." <Word> ":"
           
<Op0>      := "prt" | "rd" | "hlt"

<Op1>      := "ld" | "sv" | "add" | "sub" | "mul" | "div" | "cmp" | "pprt"

<OpJmp>    := "jmp" | "je" | "jne" | "jg" | "jl" | "jc"

<Word>     := <letter> <chars> 

<chars>    := <AnyChar> <chars>
           | ""

<AnyChar>  := <letter> | <digit>

<letter>   := "a" | "b" | ... | "z" | "A" | "B" | ... | "Z" | "_"

<Number>   := <digit> <Number>

<digit>    := "0" | "1" | ... | "9"

Операции

Код начинается с точки входа (метки text) и выполняется последовательно. Операции:

ld - Загрузить значение в аккумулятор.
sv - Сохранить значение в память по адресу.
rd - Прочитать следующий символ из области IO.
prt - Записать символ в область IO.
add - Прибавить значение к аккумулятору.
sub - Вычесть значение из аккумулятора.
mul - Умножить значение на аккумулятор.
div - Разделить аккумулятор на число.
cmp - Выставить флаги выполнения операции sub без записи результата в аккумулятор.
jmp - Безусловный переход.
je - Переход если Z=1.
jne - Переход если Z=0.
jg - Переход если P=1.
jl - Переход если P=0 && Z=0.
jc - Переход если C=1.
pprt - Распечатать символ находящийся по адресу, который хранится в указанной ячейке и инкрементировать.
hlt - Остановка моделирования.

Разрешается использование однострочных комментариев, они пишутся после символов "//"

Система команд

Особенности процессора:

Машинное слово -- 64 бита, знаковое.
Используемые регистры:

Мнемоника	Описание	Размерность	Операции по изменению
ACC	Аккумулятор	64 бит	+1, ALU, Загрузка из команды
ADDR	Адрес	16 бит	Загрузка из команды, RD, WR, MEM
IP	Указатель команд	16 бит	+1, Загрузка из команды
ZCP	Флаги для переходов	3 бита	ALU
SC	Счетчик тактов	8 бит	+1, 0
WR	Указатель на область записи	16 бит	+1
RD	Указатель на область чтения	16 бит	+1

Набор инструкций

Синтаксис и мнемоники совпадают.

В качестве аргумента операций перехода может быть использована метка.
В качестве аргументов остальных операций может быть использован указатель (по его имени) или число.

Syntax	Кол-во тактов	Аргумент	Комментарий
hlt	0	-	Остановка модуляции
ld	1/2	value/addr	Количество тактов зависит от адресации
sv	1/2	value/addr	Количество тактов зависит от адресации
prt	2	-	Распечатывает символ по адресу WR
rd	2	-	Читает символ по адресу RD
add	1/2	value/addr	Количество тактов зависит от адресации
sub	1/2	value/addr	Количество тактов зависит от адресации
mul	1/2	value/addr	Количество тактов зависит от адресации
div	1/2	value/addr	Количество тактов зависит от адресации
cmp	1/2	value/addr	Количество тактов зависит от адресации
jmp	1	addr	Безусловный переход
je	1	addr	Переход по условию
jne	1	addr	Переход по условию
jg	1	addr	Переход по условию
jl	1	addr	Переход по условию
jc	1	addr	Переход по условию
pprt	9	addr	Инкриминирует значение по адресу печатает символ находящийся по адресу из ячейки

Кодирование инструкций

Машинный код хранится в виде объекта JSON.
В объекте три поля:

pointers - объект JSON: ключ - номер указателя, значение - данные, хранимые по указателю
labels - объект JSON: ключ - номер метки, значение - значение IP для перехода.
program - список JSON объектов: Одна инструкция - один объект, индекс - адрес для перехода.

Транслятор

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

Реализовано в модуле: translator

Этапы трансляции:

Поиск секций, меток и указателей по файлу.
Замена меток и указателей на условные символы и проверка их корректности.
Трансформирование текста программы в последовательность термов.

Модель процессора

Интерфейс командной строки: machine.py <parsed_file> [input_file]

Реализовано в модуле: machine

Было принято решение не разделять DataPath и ControlUnit.

Сигналы (обрабатываются за один такт, реализованы в виде методов класса):

latch_acc -- защёлкнуть аккумулятор. Принимает управляющий сигнал, указывающий на источник данных;
latch_addr -- защёлкнуть адресный регистр. Принимает управляющий сигнал, указывающий на источник данных;
latch_step_counter -- защелкнуть счетчик шагов исполнения инструкции. Принимает управляющий сигнал, указывающий на источник данных;
latch_ip -- защелкнуть instruction pointer. Принимает управляющий сигнал, указывающий на источник данных;
latch_mem -- выгрузить данные из аккумулятора в память;

Флаги:

Z - zero
P - positive
C - carry

Моделирование производилось на уровне микрокоманд. Трансляция инструкций в последовательность сигналов - decode_and_execute.

Особенности модели:

Для журналирования используется модуль logging.
Количество исполненных операций ограничено константой.
Остановка модуляции определяется по возвращаемому значению функции.
Запуск симуляции происходит при вызове функции simulate.

Апробация

Для тестов использовано несколько алгоритмов:

Интеграционные тесты реализованы в модуле: Integration test Unit-тесты реализованы в модуле: Unit test

CL:

lab3-example:
  stage: test
  image:
    name: python-tools
    entrypoint: [""]
  script:
    - python3-coverage run -m pytest --verbose
    - find . -type f -name "*.py" | xargs -t python3-coverage report
    - find . -type f -name "*.py" | xargs -t pep8 --ignore=E501
    - find . -type f -name "*.py" | xargs -t pylint

где:

python3-coverage -- формирование отчёта об уровне покрытия исходного кода.
pytest -- утилита для запуска тестов.
pep8 -- утилита для проверки форматирования кода. E501 (длина строк) отключено.
pylint -- утилита для проверки качества кода. Некоторые правила отключены в отдельных модулях с целью упрощения кода.
mypy -- утилита для проверки корректности статической типизации.
- --check-untyped-defs -- дополнительная проверка.
- --explicit-package-bases и --namespace-packages -- помогает правильно искать импортированные модули.
Docker image python-tools включает в себя все перечисленные утилиты. Его конфигурация: Dockerfile.

Пример использования и журнал работы процессора на примере Cat:

$ cat input_files/cat.input 
[67, 65, 84]
$ cat asm/cat.asm
.data:
.text:
    .start:
        rd
        prt
        je .hlt
        jmp .start
    .hlt:
        hlt
$ python translator.py asm/cat.asm asm/cat.json
$ cat asm/cat.json
{"labels":{"0": 0, "1": 4},"pointers":{},"program":[{"operation":"rd","operand":"None","type":"data"}, {"operation":"prt","operand":"None","type":"data"}, {"operation":"je","ope
rand":"1","type":"label"}, {"operation":"jmp","operand":"0","type":"label"}, {"operation":"hlt","operand":"None","type":"data"}]}
$ python machine.py asm/cat.json input_files/cat.input 
DEBUG:root:TICK: 0, ADDR: 0, IP: 0, ACC: 0, ZCP: 101, SC: 0, WR: 6, RD: 25
OP: rd, ARG: None, T: data, D: -8565524770379116096
DEBUG:root:TICK: 1, ADDR: 25, IP: 0, ACC: 0, ZCP: 101, SC: 1, WR: 6, RD: 26
OP: rd, ARG: None, T: data, D: -8565524770379116096
DEBUG:root:TICK: 2, ADDR: 25, IP: 1, ACC: 67, ZCP: 001, SC: 0, WR: 6, RD: 26
OP: prt, ARG: None, T: data, D: 6034870251380461023
DEBUG:root:TICK: 3, ADDR: 6, IP: 1, ACC: 67, ZCP: 001, SC: 1, WR: 7, RD: 26
OP: prt, ARG: None, T: data, D: 6034870251380461023
DEBUG:root:TICK: 4, ADDR: 6, IP: 2, ACC: 67, ZCP: 001, SC: 0, WR: 7, RD: 26
OP: je, ARG: 1, T: label, D: -3479038006839116491
DEBUG:root:TICK: 5, ADDR: 6, IP: 3, ACC: 67, ZCP: 001, SC: 0, WR: 7, RD: 26
OP: jmp, ARG: 0, T: label, D: -5865404304628819528
DEBUG:root:TICK: 6, ADDR: 6, IP: 0, ACC: 67, ZCP: 001, SC: 0, WR: 7, RD: 26
OP: rd, ARG: None, T: data, D: -8565524770379116096
DEBUG:root:TICK: 7, ADDR: 26, IP: 0, ACC: 67, ZCP: 001, SC: 1, WR: 7, RD: 27
OP: rd, ARG: None, T: data, D: -8565524770379116096
DEBUG:root:TICK: 8, ADDR: 26, IP: 1, ACC: 65, ZCP: 001, SC: 0, WR: 7, RD: 27
OP: prt, ARG: None, T: data, D: 6034870251380461023
DEBUG:root:TICK: 9, ADDR: 7, IP: 1, ACC: 65, ZCP: 001, SC: 1, WR: 8, RD: 27
OP: prt, ARG: None, T: data, D: 6034870251380461023
DEBUG:root:TICK: 10, ADDR: 7, IP: 2, ACC: 65, ZCP: 001, SC: 0, WR: 8, RD: 27
OP: je, ARG: 1, T: label, D: -3479038006839116491
DEBUG:root:TICK: 11, ADDR: 7, IP: 3, ACC: 65, ZCP: 001, SC: 0, WR: 8, RD: 27
OP: jmp, ARG: 0, T: label, D: -5865404304628819528
DEBUG:root:TICK: 12, ADDR: 7, IP: 0, ACC: 65, ZCP: 001, SC: 0, WR: 8, RD: 27
OP: rd, ARG: None, T: data, D: -8565524770379116096
DEBUG:root:TICK: 13, ADDR: 27, IP: 0, ACC: 65, ZCP: 001, SC: 1, WR: 8, RD: 28
OP: rd, ARG: None, T: data, D: -8565524770379116096
DEBUG:root:TICK: 14, ADDR: 27, IP: 1, ACC: 84, ZCP: 001, SC: 0, WR: 8, RD: 28
OP: prt, ARG: None, T: data, D: 6034870251380461023
DEBUG:root:TICK: 15, ADDR: 8, IP: 1, ACC: 84, ZCP: 001, SC: 1, WR: 9, RD: 28
OP: prt, ARG: None, T: data, D: 6034870251380461023
DEBUG:root:TICK: 16, ADDR: 8, IP: 2, ACC: 84, ZCP: 001, SC: 0, WR: 9, RD: 28
OP: je, ARG: 1, T: label, D: -3479038006839116491
DEBUG:root:TICK: 17, ADDR: 8, IP: 3, ACC: 84, ZCP: 001, SC: 0, WR: 9, RD: 28
OP: jmp, ARG: 0, T: label, D: -5865404304628819528
DEBUG:root:TICK: 18, ADDR: 8, IP: 0, ACC: 84, ZCP: 001, SC: 0, WR: 9, RD: 28
OP: rd, ARG: None, T: data, D: -8565524770379116096
DEBUG:root:TICK: 19, ADDR: 28, IP: 0, ACC: 84, ZCP: 001, SC: 1, WR: 9, RD: 29
OP: rd, ARG: None, T: data, D: -8565524770379116096
DEBUG:root:TICK: 20, ADDR: 28, IP: 1, ACC: 0, ZCP: 101, SC: 0, WR: 9, RD: 29
OP: prt, ARG: None, T: data, D: 6034870251380461023
DEBUG:root:TICK: 21, ADDR: 9, IP: 1, ACC: 0, ZCP: 101, SC: 1, WR: 10, RD: 29
OP: prt, ARG: None, T: data, D: 6034870251380461023
DEBUG:root:TICK: 22, ADDR: 9, IP: 2, ACC: 0, ZCP: 101, SC: 0, WR: 10, RD: 29
OP: je, ARG: 1, T: label, D: -3479038006839116491
DEBUG:root:TICK: 23, ADDR: 9, IP: 4, ACC: 0, ZCP: 101, SC: 0, WR: 10, RD: 29
OP: hlt, ARG: None, T: data, D: 7112050030747962257
Output: ['C', 'A', 'T']
Instruction Counter: 15
Ticks: 24

ФИО	алг.	LoC	code байт	code инстр.	инстр.	такт.	вариант
Степанов М. А.	hello	9	-	9	41	154	-
Степанов М. А.	cat	9	-	9	15	24	-
Степанов М. А.	prob5	41	-	41	1242	1885	-

Name		Name	Last commit message	Last commit date
Latest commit History 19 Commits
.idea		.idea
asm		asm
input_files		input_files
media		media
src/__pycache__		src/__pycache__
test		test
README.md		README.md
isa.py		isa.py
machine.py		machine.py
translator.py		translator.py

Provide feedback

Saved searches

Use saved searches to filter your results more quickly

Repository files navigation

Архитектура компьютера

Лабораторная работа №3

О проекте

Язык программирования [Assembler]

Синтаксис языка

Операции

Система команд

Набор инструкций

Кодирование инструкций

Транслятор

Модель процессора

Апробация

About

Releases

Packages

Languages

stmikeal/Computer-Architecture

Folders and files

Latest commit

History

Repository files navigation

Архитектура компьютера

Лабораторная работа №3

О проекте

Язык программирования [Assembler]

Синтаксис языка

Операции

Система команд

Набор инструкций

Кодирование инструкций

Транслятор

Модель процессора

Апробация

About

Resources

Stars

Watchers

Forks

Releases

Packages 0

Languages

Packages