Введение

Определения

Регистр процессора: Регистр процессора — это поле определённой длины, которое находится в памяти процессора. Доступ к регистру очень быстр, его содержимое можно сохранить в память и обратно. Бывает как доступен из программы, так и нет.

Язык ассемблера

Код на Си	и как он может выглядеть на языке ассемблера (переменная variable по адресу 8699999)
variable = 5;	mov %R_FA_0%, 5 isv %R_FA_0%, 8699999

Язык ассемблера — это низкоуровневый язык программирования, максимально приближённый к командам самого процессора. Из-за сильной привязанности к определённой архитектуре, не является переносимым. Противоположность языку ассемблера — более лёгкий и абстрагированный высокоуровневый язык программирования (например, Си).

Ассемблерная директива: Ассемблерная директива («псевдокоманда») — это, можно сказать, команда ассемблера, а не компьютера. Директивы влияют на компиляцию программы. Примеры в Makexm2c — .goto, .ascii и .def.

Учебник

Данный учебник учит программированию на Makexm2c.

Makexm2c

Makexm2c — это язык ассемблера, предназначенный для создания программ для виртуальной машины «iiixmish2».^[1] Если Вы являетесь опытным программистом, то можете найти Makexm2c более лёгким, чем другие низкоуровневые языки.

iiixmish2

Iiixmish2 — это 32-разрядная виртуальная машина со своими командами и др. Она имеет 10 миллионов ячеек памяти, 44 пользовательских регистров, 8 регистров для потоков, 2000 ячеек видеопамяти, более 30 команд и экран 640 × 480 (но может отображаться меньше).^[2]

Ниже представлены названия iiixmish2-инструкций и соответствующие signed char-опкоды^[3]:

Название	Код операции
`NOP^[4]`	-1
`ADD`	-2
`SUB`	-3
`MOV`	-4
`ILD`	-5
`VLD`	-6
`LD`	-7
`ISV`	-8
`VSV`	-9
`SLP`	-10
`IFA`	-11
`IFB`	-12
`IFC`	-13
`IFD`	-14
`UPDD`	-15
`OFF`	-16
`VRST`	-17
`JMP`	-18
`END`	-19
`SEL`	-20
`MUL`	-21
`DIV`	-22
`LSLP`	-23
`CUR`	-24
`VSTR`	-25
`INC`	-26
`DEC`	-27
`TNP`	-28
`MOD`	-29
`EXP`	-30
`MOV2`	-31
`TH1`	-32
`TH2`	-33
`TH3`	-34
`MOV3`	-35
`VSVAN`	-36
`IFE`	-37
`LSHIFT`	-38
`RSHIFT`	-39
`XOR`, `OR`, `AND`	-40, -41, -42

Получение необходимого

Скачайте свободную реализацию iiixmish2 здесь, а также средства для разработки программ на Makexm2c здесь (makexm2c-tools).

Распакуйте полученные архивы. Скомпилируйте программы, используя OpenJDK 17. В Debian, Вы можете установить его, выполнив следующую команду:

$ sudo apt install openjdk-17-jdk

Выполните java --version.

Синтаксис

Makexm2c-программы могут состоять из команд:

<название> [<аргумент 0>[[,] <аргумент 1>]…]

, псевдокоманд (директив):

.<название> [<аргумент 0>[ <аргумент 1>]]

, меток:

<название>:

и комментариев.

К регистрам можно подставлять «UR» (UR0, UR1…).

«Hello, world!»

Теперь мы можем написать программу «Hello, world!», она будет выводить на экран виртуальной машины «Hello, world!» (перевод — «Всем привет!», а буквально — «Здравствуй, мир!»). Программа подобна загрузчику: она выполняется практически сразу после запуска машины и не требует для своей работы операционной системы.

Создайте файл «hello.asm» и вставьте в него следующее:

vstr 0000, "Hello, world!"
updd

Это код на Makexm2c, переведите его в код, понятный виртуальной машине iiixmish2, используя ассемблер из makexm2c-tools:

$ java downadow.makexm2c_tools.main.Assembler hello.asm hello

Отлично! Запустите iiixmish2, передав полученный файл:

$ java downadow.iiixmish2.main.Iiixmish2 hello --no-communication

Параметр --no-communication отключает, возможно, губительную для SSD-дисков коммуникацию. Если требуется, опустите данный параметр, включение и выключение коммуникации контролируется клавишами F2 и F3.^[5]

Команды^[6]^[3]

Код нашей программы состоит из двух команд — vstr и updd.

vstr

Команда vstr нужна для вывода строки на экран. Конечно, это можно сделать и без неё, но с ней это делается проще и эффективнее: сокращается размер программы. Имеет два аргумента:

Синтаксис	Описание
`ЦЦЦЦ` (Ц — цифра)	Адрес ячейки видеопамяти, с которого будет располагаться строка
`"СТРОКА"`	СТРОКА для вывода

updd

Команда для обновления («перерисовки») экрана.

Регистры

Как уже было сказано ранее, iiixmish2 имеет 44 пользовательских регистров (п. реги́стры) и 8 для потоков.

2, 3 и 4 п. регистры предназначены для обновления экрана, п. регистр 1 хранит нажатую клавишу. Избегайте использования п. регистров 5, 7, 9 и 11, т. к. они могут использоваться некоторыми командами (например, vstr и vrst).^[3]

Операции^[6]^[3]

Присваивание

Команда mov сохраняет число в п. регистр, число не должно превышать один байт. Аргументы:

Синтаксис	Описание
`ЧИСЛО`	АДРЕС п. регистра, который должен принять ЧИСЛО
`ЧИСЛО`	ЧИСЛО для сохранения

Пример использования:

mov UR10, 64

Также можно вставлять 'СИМВОЛ' вместо числа, пример:

mov UR10, 'j'

то же, что и

mov UR10, 106

Сложение

Команда add складывает два п. регистра, сохраняет результат в п. регистр. Аргументы:

Синтаксис	Описание
`ЧИСЛО`	адрес п. регистра, содержащего первое слагаемое
`ЧИСЛО`	адрес п. регистра, содержащего второе слагаемое
`ЧИСЛО`	адрес п. регистра, в который следует поместить сумму

Пример использования:

add UR0 UR6, UR9

Запятые между аргументами и «UR» к адресам, — необязательны.

Вычитание

Команда sub вычитает из п. регистра значение другого п. регистра, результат сохраняется в п. регистр. Аргументы:

Синтаксис	Описание
`ЧИСЛО`	адрес п. регистра, содержащего уменьшаемое
`ЧИСЛО`	адрес п. регистра, содержащего вычитаемое
`ЧИСЛО`	адрес п. регистра, в который следует поместить разность

Пример использования:

sub UR6 UR8, UR0

Загрузка

Команда ld загружает значение п. регистра в другой п. регистр. Аргументы:

Синтаксис	Описание
`ЧИСЛО`	адрес п. регистра, который следует загрузить в ДРУГОЙ п. регистр
`ЧИСЛО`	адрес ДРУГОГО п. регистра

Пример использования:

ld UR1, UR0

Умножение

Команда mul умножает п. регистр на другой п. регистр, результат сохраняется в п. регистр. Аргументы:

Синтаксис	Описание
`ЧИСЛО`	адрес п. регистра, содержащего множимое
`ЧИСЛО`	адрес п. регистра, содержащего множитель
`ЧИСЛО`	адрес п. регистра, в который следует поместить произведение

Пример использования:

mul UR6 UR8, UR0

Деление

Команда div делит п. регистр на другой п. регистр, результат сохраняется в п. регистр. Аргументы:

Синтаксис	Описание
`ЧИСЛО`	адрес п. регистра, содержащего делимое
`ЧИСЛО`	адрес п. регистра, содержащего делитель
`ЧИСЛО`	адрес п. регистра, в который следует поместить частное

Пример использования:

div UR6 UR8, UR0

Получение остатка от деления

Команда mod делит п. регистр на другой п. регистр, остаток сохраняется в п. регистр. Аргументы:

Синтаксис	Описание
`ЧИСЛО`	адрес п. регистра, содержащего делимое
`ЧИСЛО`	адрес п. регистра, содержащего делитель
`ЧИСЛО`	адрес п. регистра, в который следует поместить остаток

Пример использования:

mod UR0 UR29, UR8

Инкремент и декремент

Команда inc увеличивает п. регистр на единицу. Пример использования:

inc UR0

Команда dec уменьшает п. регистр на единицу. Пример использования:

dec UR0

Изменение знака

Команда tnp изменяет знак п. регистра, пример использования:

tnp UR14

Возведение в степень

Пример:

exp UR0 UR6, UR8

mov2

Команда mov2 выполняет то же, что и mov, но размер второго аргумента увеличен до шести байтов. Аргументы:

Синтаксис	Описание
`ЧИСЛО`	адрес п. регистра
`ЦЦЦЦЦЦЦ`	число для сохранения

Пример использования:

mov2 UR0, 0004985

mov3

Команда mov3 «склеивает» п. регистры как строки, сохраняет результат в п. регистр. Аргументы:

Синтаксис	Описание
`ЧИСЛО`	адрес п. регистра, в который следует сохранить результат
`ЧИСЛО`	адрес первого п. регистра для «склеивания»
`ЧИСЛО`	адрес второго п. регистра для «склеивания»
`ЧИСЛО`	адрес третьего п. регистра для «склеивания»
`ЧИСЛО`	адрес четвёртого п. регистра для «склеивания»
`ЧИСЛО`	адрес пятого п. регистра для «склеивания»
`ЧИСЛО`	адрес шестого п. регистра для «склеивания»

Пример использования:

mov3 UR0, UR29 UR28 UR27 UR26 UR25 UR24

Сдвиг

Следующий код выполняет операцию вида UR20 << UR19 (сдвиг битов влево) и сохраняет результат в UR8:

lshift UR20 UR19, UR8

UR8 = UR20 >> UR19:

rshift UR20 UR19, UR8

Для побитовых XOR, OR и AND, используйте одноимённые инструкции.

Генерация числа

Команда sel выбирает число от нуля до ОПРЕДЕЛЁННОГО числа минус один, результат сохраняет в п. регистр. Аргументы:

Синтаксис	Описание
`ЧИСЛО`	адрес п. регистра, содержащего ОПРЕДЕЛЁННОЕ число
`ЧИСЛО`	адрес п. регистра, в который следует сохранить результат

Пример использования:

sel UR0, UR12

Получение времени

Операция time копирует в заданный регистр кол-во миллисекунд, приблизительно начиная от запуска процессора. Принимает один аргумент. trst сбрасывает время.

Коммента́рии — это тексты в коде программы, которые не влияют на её работу, но, как правило, помогают лучше понять её. В Makexm2c нет обязательного спецсимвола, который отличал бы комментарии от команд.^[6]

Метки^[6]

Ме́тки — в Makexm2c — это мнемоники, которые ставятся в определённые места в коде программы. Обращение к метке вставляет на месте обращения адрес, по которому располагается эта метка в двоичной форме программы. Пример:

метка:
    nop
    nop
    mov2 UR0, <метка>

Для обращения, название метки, заключённое в < и >, вставляется в нужное место в программе.

Именованные константы^[6]

Для создания именованных констант используется директива .def, пример:

.def %CONST% "0"

создаст именованную константу «CONST» со значением «0».

Обращение к именованным константам отличается от обращения к меткам лишь тем, что название заключается в %, а не < и >.

Ветвление^[6]^[3]

Задание

Потренируйтесь с пройденными командами.

В iiixmish2 есть команды для создания условных переходов. Рассмотрим, как использовать их в Makexm2c.

Равно

В iiixmish2 нет инструкций вроде BRz, BRn и т. д., ветвление реализуется посредством команд IFA, IFB, IFC, IFD и IFE. Для создания перехода вроде «если значение п. регистра А равно значению регистра Б, то выполнить переход на <значение п. регистра В>», воспользуйтесь следующей конструкцией:

if АДРЕС0 == АДРЕС1, АДРЕС2

Название	Описание
`АДРЕС0`	адрес первого п. регистра для сравнения
`АДРЕС1`	адрес второго п. регистра для сравнения
`АДРЕС2`	адрес п. регистра, на значение которого нужно перейти

Ясно? Идём дальше.

Неравно

if АДРЕС0 != АДРЕС1, АДРЕС2

Больше

if АДРЕС0 > АДРЕС1, АДРЕС2

Меньше

if АДРЕС0 < АДРЕС1, АДРЕС2

Равно ×2

if АДРЕС0 == АДРЕС1 && АДРЕС2 == АДРЕС3, АДРЕС4

(если п. регистры АДРЕС0 и АДРЕС1 равны, п. регистры АДРЕС2 и АДРЕС3 равны, то выполнить переход на <значение п. регистра АДРЕС4>)

Видеопамять

Как уже говорилось во введении, iiixmish2 имеет 2000 ячеек видеопамяти.

Почти все ячейки видеопамяти могут отображаться на экране. Последние две ячейки, — 1998-ая и 1999-ая, — хранят параметр цвета для фона и параметр цвета для отображаемых ячеек видеопамяти. Возможные цвета^[3]:

Значение	Цвет
1	белый
2	зелёный
3	голубой или синий
4	тёмно-зелёный
5	серый
6	красный
7	жёлтый
иное	чёрный

Пример изменения цвета отображаемых ячеек видеопамяти на жёлтый:

mov UR0, 7
vsv UR0, 1999

Загрузка и сохранение^[6]^[3]

Для загрузки значения из видеопамяти в п. регистр, используйте команду vld. Её аргументы:

Синтаксис	Описание
`ЦЦЦЦ`	адрес ячейки видеопамяти для загрузки
`ЧИСЛО`	адрес п. регистра-приёмника

Пример использования:

vld 0001, UR8

Для сохранения значения п. регистра в ячейку видеопамяти, используйте vsv. Аргументы:

Синтаксис	Описание
`ЧИСЛО`	адрес п. регистра для сохранения
`ЦЦЦЦ`	адрес нужной ячейки видеопамяти

Пример использования:

vsv UR0, 0063

Для сохранения значения п. регистра в видеопамять как число, используйте vsvan. Аргументы:

Синтаксис	Описание
`ЧИСЛО`	адрес п. регистра для сохранения
`ЦЦЦЦ`	адрес ячейки видеопамяти, с которой следует начать запись

Пример использования:

vsvan UR0, 0000

Вы также можете вписывать адрес п. регистра вместо ЦЦЦЦ в аргументах этих команд (такое поддерживается в Makexm2c). Так, vsv UR0, UR16 сохранит содержимое п. регистра 0 в яч. видеопамяти, адрес которой находится в регистре 16.

Вы можете печатать разными цветами! Для этого, измените ячейку видеопамяти, на месте которой будет изменение цвета последующих, на 255 плюс нужное значение цвета.^[3]

Текст в самой нижней строке отображается полужирным.

Задание

Напишите программу, которая складывает два числа и выводит результат на экран.

Память

Программы iiixmish2 загружаются в его па́мять (насколько это возможно).^[3]

Загрузка и сохранение^[6]^[3]

Команда ild предназначена для загрузки значений из памяти в п. регистры. Аргументы:

Синтаксис	Описание
`ЦЦЦЦЦЦЦ`	адрес ячейки памяти для загрузки
`ЧИСЛО`	адрес п. регистра-приёмника.

Пример использования:

ild 6001900, UR0

Для сохранения значения п. регистра в память, используйте isv. Аргументы:

Синтаксис	Описание
`ЧИСЛО`	адрес п. регистра для сохранения
`ЦЦЦЦЦЦЦ`	адрес нужной ячейки памяти

Пример использования:

isv UR10, 0999999

Вы можете вписывать адрес п. регистра вместо ЦЦЦЦЦЦЦ в аргументах этих команд.

Многопоточность

В iiixmish2 встроены команды TH1, TH2 и TH3. Используя их, вы можете выполнять задачи одновременно. Эти команды имеют один аргумент — адрес п. регистра, со значения которого следует начать новую задачу.^[3] Пример программы:

mov2 UR0, <thread>
th1 UR0
end
thread:
    vstr 0000, "OK!"
    updd

Недостаток `vstr`

Максимальное значение символа в vstr-строке ограничено одним байтом^[3], т. е. вы не можете печатать дополнительные символы на экран iiixmish2, используя эту команду (например, буквы русского алфавита). Длина vstr-строки не должна превышать один знаковый байт (signed char).

Но есть Java-программа Print, которая поставляется с выпуском makexm2c-tools. Использование^[7]:

$ java downadow.makexm2c_tools.main.Print [-r|--user-register АДРЕС] [-a|--address АДРЕС] "СТРОКА"

Эта программа выводит Makexm2c-код, который должен выводить любой доступный символ на экран iiixmish2; но код, который он создаёт, нехорош, т. к. программа не оптимизирует сохранение в видеопамять повторяющихся символов, из-за чего код получается большим.

Задание

Напишите программу, которая выводит «Здравствуй, мир!», используя Print из makexm2c-tools.

Простая программа

Ниже представлен пример программы, в которой пользователь может вводить данные. То, что от символа «;» до конца строки будет комментарием.

mov UR29, 30
mov2 UR28, <main>

main:
    ; ждать 30 миллисекунд
    lslp UR29
    ; если клавиша не была нажата, то перейти к main
    if UR1 == UR0, UR28
    ; сохраняем клавишу (указателем текущей ячейки будет п. регистр 27)
    vsv UR1, UR27
    ; увеличиваем указатель
    inc UR27
    ; сбрасываем нажатую клавишу
    mov UR1, 0
    ; обновляем экран
    updd
    
    ; переход к main
    jmp UR28

Задание

Измените программу так, чтобы фон стал белым, а текст, вводимый пользователем, — чёрным. Помните, как собирать и запускать программы?

Ещё директивы

.ascii <mem0> "hello world" приказывает ассемблеру записать строку «hello world», начиная с яч. <mem0> (адрес метки mem0). .goto +100 приказывает перейти ассемблеру на 100 яч. больше, это похоже на 100 nop'ов. .byte ЧИСЛО вставит десятичное ЧИСЛО. .orig 1000 выполнит переход к ячейке 1000.

Общение с другими компьютерами

Iiixmish2 и другие компьютеры (включая ЭВМ, на котором выполняется iiixmish2) могут «общаться» через файлы коммуникации. Данные, которые передал компьютер, сохраняются в памяти iiixmish2, начиная с адреса 9999872. Чтобы ответить, запишите краткий ответ, начиная с адреса 9999000.

Ещё команды^[6]

Это последний раздел изучения. В нём описываются команды slp, off, vrst и end.

slp

slp ждёт <значение п. регистра А> секунд (для миллисекунд есть lslp). Пример использования:

slp UR0

off

off завершает работу iiixmish2.

vrst

vrst заменяет значения почти всех ячеек видеопамяти на неотображаемое (0), предназначение — убрать текст с экрана. Не путайте его с vstr.

end

Если цикл выполнения памяти встретит команду end, то он должен будет завершиться.

Задание

Напишите программу, которая должна завершиться тогда, когда пользователь нажмёт какую-нибудь клавишу.

Примечания

↑ README-файл makexm2c-tools
↑ README-файл реализации iiixmish2
↑ ^а ^б ^в ^г ^д ^е ^ё ^ж ^з ^и ^й ^к См. исходный код реализации iiixmish2
↑ не выполняется и ничего не делает
↑ коммит 9a45a7ef764f22bd16ec9c28a2e8c17d27542071
↑ ^а ^б ^в ^г ^д ^е ^ё ^ж ^з См. исходный код ассемблера
↑ Исходный код программы Print

[1] README-файл makexm2c-tools

[2] README-файл реализации iiixmish2

[src_1-3] а ^б ^в ^г ^д ^е ^ё ^ж ^з ^и ^й ^к См. исходный код реализации iiixmish2

[4] не выполняется и ничего не делает

[5] коммит 9a45a7ef764f22bd16ec9c28a2e8c17d27542071

[src_0-6] а ^б ^в ^г ^д ^е ^ё ^ж ^з См. исходный код ассемблера

[src_2-7] Исходный код программы Print

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

Компьютерная архитектура iiixmish2

Введение

Определения

Учебник

Makexm2c

iiixmish2

Получение необходимого

Синтаксис

«Hello, world!»

Команды[6][3]

vstr

updd

Регистры

Операции[6][3]

Присваивание

Сложение

Вычитание

Загрузка

Умножение

Деление

Получение остатка от деления

Инкремент и декремент

Изменение знака

Возведение в степень

mov2

mov3

Сдвиг

Генерация числа

Получение времени

Комментарии

Метки[6]

Именованные константы[6]

Ветвление[6][3]

Равно

Неравно

Больше

Меньше

Равно ×2

Видеопамять

Загрузка и сохранение[6][3]

Память

Загрузка и сохранение[6][3]

Многопоточность

Недостаток vstr

Простая программа

Ещё директивы

Общение с другими компьютерами

Ещё команды[6]

slp

off

vrst

end

Примечания

Команды^[6]^[3]

Операции^[6]^[3]

Метки^[6]

Именованные константы^[6]

Ветвление^[6]^[3]

Загрузка и сохранение^[6]^[3]

Загрузка и сохранение^[6]^[3]

Недостаток `vstr`

Ещё команды^[6]