modelmachine 0.2.2

Model machine emulator

modelmachine

Model machine emulator

Модельная машина

Модельная машина - это чистая архитектурная концепция, позволяющая понять логику функционирования центральных процессоров. По своей структуре она близка к компьютерам первого поколения. Подробнее читайте по ссылкам внизу.

Quickstart

Установка пакета происходит командой:

# python3 -m pip install --upgrade modelmachine

После этого вам становится доступна консольная команда modelmachine.

Посмотрите примеры в папке samples, по их образу можно начинать писать программы для модельных машин. Запуск программы производится командой:

$ modelmachine run samples/mm-3_sample.mmach

Также доступна пошаговая отладка командой:

$ modelmachine debug samples/mm-3_sample.mmach

Пример

.cpu mm-3

.input 0x100 a
.input 0x101 b
.output 0x103 x

.code
; x = ((a * -21) % 50 - b) ** 2 == 178929
03 0100 0005 0103 ; x := a * -21
04 0103 0006 0102 ; [0102] := x / 50, x := x % 50
02 0103 0101 0103 ; x := x - b
03 0103 0103 0103 ; x := x * x
99 0000 0000 0000 ; halt
; ---------------------
FFFFFFFFFFFFEB ; -21
00000000000032 ; 50

.enter -123 456

• Все, что идет после символа ; - комментарий; пустые строки игнорируются.
• Программа должна начинаться с директивы .cpu и указания архитектуры. Список поддерживаемых архитектур смотри ниже.
• Текст программы обязан содержать директиву .code после которой идет секция кода, содержащая набор 16-ричных чисел, записываемых в память модельной машины. Пропускать часть машинного слова нельзя. Рекомендуется писать по одному машинному слову в строке, по желанию разбивая разряды на части пробелами.
  • По умолчанию директива .code загружает данные начиная с адреса 0.
  • Модельная машина начинает исполнение программы с адреса 0.
  • Секций .code может быть несколько. В этом случае после директивы .code нужно указать адрес по которому нужно загружать данные. Например, .code 0x100. Участки памяти, в которые загружаются данные различными директивами, обязаны не пересекаться
• Директива .input ADDRESS [QUESTION] читает данные из потока ввода по адресу ADDRESS до запуска модельной машины.
  • ADDRESS может использовать десятичный 15 или шеснадцатеричный 0xff формат.
  • Вводить также можно десятичные и шеснадцатеричные числа со знаком.
  • При вводе из консоли, пользователь увидит вопрос QUESTION; при вводе из файла QUESTION будет игнорироваться.
  • В директиве можно указывать несколько адресов, резделённых запятой, например, .input 0x200, 0x204, 0x208 Enter three numbers.
• Необязательная директива .enter NUMBERS... вводит числа для директив .input.
  • NUMBERS — это строка, в которой числа раздлелены пробелами.
  • Требуется вводить ровно столько чисел, сколько адресов было указано в директивах .input.
  • Если запуск программы производится с ключом --enter, то директива .enter игнорируется и данные для .input поступают из консоли или файла.
  • Это позволяет для отладки записать данные вместе с программой, а потом запускать ее из консоли с разными параметрами.
• Директива .output ADDRESS [MESSAGE] печатает данные в поток вывода после остановки машины.
  • Данные печатаются в виде десятичных чисел со знаком.
  • Если произошла ошибочная ситуация (например, деление на 0), то вывод производится не будет.
  • В директиве можно указывать несколько адресов, резделённых запятой.
• Больше примеров в папке samples

Таблица команд модельных машин

OPCODE	mm-3	mm-2	mm-v	mm-1	mm-s	mm-r	mm-m
0x00	move	move	move	load		load	load
0x01	add	add	add	add	add	add	add
0x02	sub	sub	sub	sub	sub	sub	sub
0x03	smul	smul	smul	smul	smul	smul	smul
0x04	sdiv	sdiv	sdiv	sdiv	sdiv	sdiv	sdiv
0x05		comp	comp	comp	comp	comp	comp
0x13	umul	umul	umul	umul	umul	umul	umul
0x14	udiv	udiv	udiv	udiv	udiv	udiv	udiv
0x10				store		store	store
0x11							addr
0x20				swap		rmove	rmove
0x21						radd	radd
0x22						rsub	rsub
0x23						rsmul	rsmul
0x24						rsdiv	rsdiv
0x25						rcomp	rcomp
0x33						rumul	rumul
0x34						rudiv	rudiv
0x5A					push
0x5B					pop
0x5C					dup
0x5D					sswap
0x80	jump	jump	jump	jump	jump	jump	jump
0x81	jeq	jeq	jeq	jeq	jeq	jeq	jeq
0x82	jneq	jneq	jneq	jneq	jneq	jneq	jneq
0x83	sjl	sjl	sjl	sjl	sjl	sjl	sjl
0x84	sjgeq	sjgeq	sjneq	sjgeq	sjgeq	sjgeq	sjgeq
0x85	sjleq	sjleq	sjleq	sjleq	sjleq	sjleq	sjleq
0x86	sjg	sjg	sjg	sjg	sjg	sjg	sjg
0x93	ujl	ujl	ujl	ujl	ujl	ujl	ujl
0x94	ujgeq	ujgeq	ujgeq	ujgeq	ujgeq	ujgeq	ujgeq
0x95	ujleq	ujleq	ujleq	ujleq	ujleq	ujleq	ujleq
0x96	ujg	ujg	ujg	ujg	ujg	ujg	ujg
0x99	halt	halt	halt	halt	halt	halt	halt

На самом деле операция div запускает в АЛУ схему divmod.

Ниже дана таблица команд условных переходов. Откуда берутся операнды для сравнения зависит от архитектуры модельной машины. Подробнее смотри [1].

Мнемонический код	Условие перехода	Описание
jeq	==	jump if equal
jneq	!=	jump if not equal
sjl	< s	signed jump if less
sjgeq	>= s	signed jump if greater or equal
sjleq	<= s	signed jump if less or equal
sjg	> s	signed jump if greater
ujl	< u	unsigned jump if less
ujgeq	>= u	unsigned jump if greater or equal
ujleq	<= u	unsigned jump if less or equal
ujg	> u	unsigned jump if greater

Описание модельных машин

Псевдокод

Для описание команд в тексте ниже используется псевдокод:

• R_M - регистр с номером M
• R - для краткости регистр с номером R записывается просто R вместо R_R
• [A] - ячейка оперативной памяти; адрес рассчитывается по модулю размера оперативной памяти (2^16)
• R := [A] - загрузка данных по адресу A из ram в регистр R
• [A] := R - сохранение данных из регистра R по адресу A в ram
• S := R1 op R2 - вычислить операцию op и сохранить результат в регистр S
• calc R1 op R2 - вычислить операцию op и не сохранять результат
• S := R1 op R2 and set FLAGS, calc R1 op R2 and set FLAGS - то же самое + выставить регистр FLAGS в зависимости от результата вычислений
• op(FLAGS) - условие вычисляется исходя из регистра FLAGS
• if C then X - действие X происходит если выполнено условие C
• X; Y - действия X и Y происходят параллельно
• Описание команды состоит из трех шагов, происходящих последовательно:
  • load: X
  • exec: Y
  • write back: Z
• Для краткости описание может быть сокращено до одного или двух шагов, если детали реализации не имеют значения.

Ошибочные ситуации

В случае ошибочной ситуации машина будет остановлена и вывод производится не будет.

Ячейка оперативной памяти может быть меньше размера операнда или команды. Возможна ситуация, при которой процессор попытается считать или записать данные за границей доступных адресов оперативной памяти. Например при исполнении команды move 0000 ffff. Такая ситуация является ошибочной ситуацией. Деления на ноль является ошибочной ситуацией.

mm-3

Архитектура трехадресной модельной машины.

• Размер ячейки оперативной памяти: 7 байт.
• Размер адреса: 2 байта.
• Арифметические вычисления производятся с одной ячейкой оперативной памяти.
• Код команды помещается в одну ячейку оперативной памяти COP А1 А2 А3.
• Регистры: S, R1, R2, FLAGS, PC, IR, ADDR.

Назначение регистров

• S - регистр сумматор, в него записывается результат арифметической операции.
• R1, R2 - регистры операндов арифметических операций.
• FLAGS - регистр флагов.
• PC - регистр указатель инструкции.
• IR - регистр для хранения инструкции.
• ADDR - регистр для хранения адреса для инструкции перехода.

Описание команд

• add, sub, smul, umul:
  • load: R1 := [A1]; R2 := [A2]
  • exec: S := R1 op R2 and set FLAGS
  • write back: [A3] := S
• sdiv, udiv:
  • load: R1 := [A1]; R2 := [A2]
  • exec: S := R1 / R2 and set FLAGS; R1 := R1 % R2
  • write back: [A3] := S; [A3 + 1] := R1
• jump: PC := A3
• jeq, jneq, jl, jleq, jg, jgeq:
  • load: R1 := [A1]; R2 := [A2]
  • exec: S := R1 - R2 and set FLAGS
  • write back: if op(FLAGS) then PC := A3
• move: [A3] := [A1]
• halt: FLAGS := HALT

mm-2

Архитектура двухадресной модельной машины.

• Размер ячейки оперативной памяти: 5 байт.
• Размер адреса: 2 байта.
• Арифметические вычисления производятся с одной ячейкой оперативной памяти.
• Код команды помещается в одну ячейку оперативной памяти COP А1 А2.
• Регистры: R1, R2, FLAGS, PC, IR, ADDR.

Описание команд

• add, sub, smul, umul:
  • load: R1 := [A1]; R2 := [A2]
  • exec: R1 := R1 op R2 and set FLAGS
  • write back: [A1] := R1
• sdiv, udiv:
  • load: R1 := [A1]; R2 := [A2]
  • exec: R1 := R1 / R2 and set FLAGS; R2 := R1 % R2
  • write back: [A1] := R1; [A1 + 1] := R2
• jump: PC := A2
• cmp:
  • load: R1 := [A1]; R2 := [A2]
  • exec: R1 := R1 - R2 and set FLAGS
• jeq, jneq, jl, jleq, jg, jgeq: if op(FLAGS) then PC := A2
• move: [A1] := [A2]
• halt: FLAGS := HALT

mm-v

Архитектура модельной машины с переменным (variable) форматом команд.

• Размер ячейки оперативной памяти: 1 байт.
• Размер адреса: 2 байта.
• Арифметические вычисления производятся со словами в 5 ячеек оперативной памяти.
• Код команды занимает разное количество ячеек в зависимости от выполняемой операции.
• Регистры: R1, R2, FLAGS, PC, IR, ADDR.

Таблица кодов команд

Код команды	Мнемоник	Формат	Длина (в байтах)
0x00	move	move A1 A2	5
0x01	add	add A1 A2	5
0x02	sub	sub A1 A2	5
0x03	smul	smul A1 A2	5
0x04	sdiv	sdiv A1 A2	5
0x05	comp	comp A1 A2	5
0x13	umul	umul A1 A2	5
0x14	udiv	udiv A1 A2	5
0x80	jump	jump A1	3
0x81	jeq	jeq A1	3
0x82	jneq	jneq A1	3
0x83	sjl	sjl A1	3
0x84	sjgeq	sjgeq A1	3
0x85	sjleq	sjleq A1	3
0x86	sjg	sjg A1	3
0x93	ujl	ujl A1	3
0x94	ujgeq	ujgeq A1	3
0x95	ujleq	ujleq A1	3
0x96	ujg	ujg A1	3
0x99	halt	halt	1

Описание команд

• add, sub, smul, umul - format op A1 A2:
  • load: R1 := [A1]; R2 := [A2]
  • exec: R1 := R1 op R2 and set FLAGS
  • write back: [A1] := R1
• sdiv, udiv - format op A1 A2:
  • load: R1 := [A1]; R2 := [A2]
  • exec: R1 := R1 / R2 and set FLAGS; R2 := R1 % R2
  • write back: [A1] := R1; [A1 + 1] := R2
• jump A1: PC := A1
• cmp A1 A2:
  • load: R1 := [A1]; R2 := [A2]
  • exec: R1 := R1 - R2 and set FLAGS
• jeq, jneq, jl, jleq, jg, jgeq - format op A: if op(FLAGS) then PC := A
• move A1 A2: [A1] := [A2]
• halt: FLAGS := HALT

mm-1

Архитектура одноадресной модельной машины.

• Размер ячейки оперативной памяти: 3 байта.
• Размер адреса: 2 байта.
• Арифметические вычисления производятся с одной ячейкой оперативной памяти.
• Код команды помещается в одну ячейку оперативной памяти COP А.
• Регистры: S, R, S1, FLAGS, PC, IR.

Регистры S и S1 хранят информацию постоянно, а не заполняются при выполнении очередной команды, как в предыдущих машинах. В регистр R загружается операнд для арифметических операций.

Описание команд

• add, sub, smul, umul:
  • load: R := [A]
  • exec: S := S op R and set FLAGS
• sdiv, udiv:
  • load: R := [A]
  • exec: S := S / R and set FLAGS; S1 := S % R
• jump A: PC := A
• cmp:
  • load: R := [A]
  • exec: calc S - R and set FLAGS
• jeq A, jneq, jl, jleq, jg, jgeq: if op(FLAGS) then PC := A
• load A: S := [A]
• store A: [A] := S
• swap: S := S1; S1 := S
• halt: FLAGS := HALT

mm-s

Архитектура стековой модельной машины.

• Размер ячейки оперативной памяти: 1 байт.
• Размер адреса: 2 байта.
• Код команды занимает разное количество ячеек в зависимости от выполняемой операции.
• Регистры: R1, R2, FLAGS, PC, IR, SP.

В регистры R1 и R2 загружаются данные из стека - ячеек оперативной памяти по адресу [SP]. Результат вычислений записывается обратно на вершину стека. При этом значение региста SP увеличивается или уменьшается на размер слова 3 в зависимости от семантики команды. Стек растет в сторону меньших адресов. Начальное значение регистра SP - 0xffff; при этом указатель стека не указывает на целое слово, попытка чтения данных из стека является ошибочной ситуацией и приведет к останову машины.

Таблица кодов команд

Код команды	Мнемоник	Формат	Длина (в байтах)
0x01	add	add	1
0x02	sub	sub	1
0x03	smul	smul	1
0x04	sdiv	sdiv	1
0x05	comp	comp	1
0x13	umul	umul	1
0x14	udiv	udiv	1
0x5A	push	push A	3
0x5B	pop	pop A	3
0x5C	dup	dup	1
0x5D	sswap	sswap	1
0x80	jump	jump A	3
0x81	jeq	jeq A	3
0x82	jneq	jneq A	3
0x83	sjl	sjl A	3
0x84	sjgeq	sjgeq A	3
0x85	sjleq	sjleq A	3
0x86	sjg	sjg A	3
0x93	ujl	ujl A	3
0x94	ujgeq	ujgeq A	3
0x95	ujleq	ujleq A	3
0x96	ujg	ujg A	3
0x99	halt	halt	1

Описание команд

• add, sub, smul, umul:
  • load: R1 := [SP+3]; R2 := [SP]
  • exec: R1 := R1 op R2 and set FLAGS; SP := SP + 3
  • write back: [SP] := R1
• sdiv, udiv:
  • load: R1 := [SP+3]; R2 := [SP]
  • exec: R1 := R1 / R2 and set FLAGS; R2 := R1 % R2
  • write back: [SP+3] := R1; [SP] := R2
• jump A: PC := A
• cmp:
  • load: R1 := [SP+3]; R2 := [SP]
  • exec: calc R1 - R2 and set FLAGS; SP := SP + 6
• jeq A, jneq, jl, jleq, jg, jgeq: if op(FLAGS) then PC := A
• push A:
  • SP := SP - 3
  • [SP] := [A]
• pop A:
  • [A] := [SP]
  • SP := SP + 3
• dup:
  • SP := SP - 3
  • [SP] := [SP + 3]
• sswap: [SP + 3] := [SP]; [SP] := [SP + 3]
• halt: FLAGS := HALT

mm-r

Архитектура модельной машины с регистрами (registers)

• Размер ячейки оперативной памяти: 2 байта.
• Размер адреса: 2 байта.
• Арифметические вычисления производятся со словом в 4 байта.
• Код команды занимает разное количество ячеек в зависимости от выполняемой операции. Арифметические команды имеют формы регистр-регистр и регистр-память. Команды регистр-регистр имеют формат COP RA1 RA2 и занимают 2 байта. Команды регистр-память имеют формат COP R 0 A и занимают 4 байта. Команды перехода имеют формат COP 0 0 A и занимают 4 байта.
• Регистры: R0-RF, S, S1, FLAGS, PC, IR.

Основное отличие этой машины от предыдущих - наличие адресуемых регистров общего назначения R0-RF, используемых для арифметических вычислений и адресации памяти. S, S1 - неадресуемые регистры для работы АЛУ.

Таблица кодов команд

Код команды	Мнемоник	Формат	Длина (в байтах)
0x00	load	load R 0 A	4
0x01	add	add R 0 A	4
0x02	sub	sub R 0 A	4
0x03	smul	smul R 0 A	4
0x04	sdiv	sdiv R 0 A	4
0x05	comp	comp R 0 A	4
0x13	umul	umul R 0 A	4
0x14	udiv	udiv R 0 A	4
0x10	store	store R 0 A	4
0x20	rmove	rmove RX RY	2
0x21	radd	radd RX RY	2
0x22	rsub	rsub RX RY	2
0x23	rsmul	rsmul RX RY	2
0x24	rsdiv	rsdiv RX RY	2
0x25	rcomp	rcomp RX RY	2
0x33	rumul	rumul RX RY	2
0x34	rudiv	rudiv RX RY	2
0x80	jump	jump 00 A	4
0x81	jeq	jeq 00 A	4
0x82	jneq	jneq 00 A	4
0x83	sjl	sjl 00 A	4
0x84	sjgeq	sjgeq 00 A	4
0x85	sjleq	sjleq 00 A	4
0x86	sjg	sjg 00 A	4
0x93	ujl	ujl 00 A	4
0x94	ujgeq	ujgeq 00 A	4
0x95	ujleq	ujleq 00 A	4
0x96	ujg	ujg 00 A	4
0x99	halt	halt 00	2

Описание команд

• register-memory add, sub, smul, umul - format op R 0 A:
  • load: S := R; S1 := [A]
  • exec: S := S op S1 and set FLAGS
  • write back: R := S
• register-memory sdiv, udiv - format op R 0 A, R_next - регистр, следующий за регистром R; за RF следует R0:
  • load: S := R; S1 := [A]
  • exec: S := S / S1 and set FLAGS; S1 := S % S1
  • write back: R, R_next := S, S1
• register-memory comp R 0 A:
  • load: S := S; S1 := [A]
  • exec: S := S - S1 and set FLAGS
• load R 0 A: R := [A]
• store R 0 A: [A] := R
• register-register radd, rsub, rsmul, rumul - format op X Y:
  • load: S := R_X; S1 := R_Y
  • exec: S := S op S1 and set FLAGS
  • write back: R_X := S
• register-register rsdiv, rudiv - format op X Y:
  • load: S := R_X; S1 := R_Y
  • exec: S := S / S1 and set FLAGS; S1 := S % S1
  • write back: R_X := S; R_next := S1
• register-register rcomp X Y:
  • load: S := R_X; S1 := R_Y
  • exec: S := S - S1 and set FLAGS
• register-register rmove X Y: R_X := R_Y
• jump A: PC := A
• jeq, jneq, jl, jleq, jg, jgeq - format op 00 A: if op(FLAGS) then PC := A
• halt: FLAGS := HALT

mm-m

Архитектура модельной машины с модификацией адресов (modification).

• Размер ячейки оперативной памяти: 2 байта.
• Размер адреса: 2 байта.
• Арифметические вычисления производятся со словом в 4 байта.
• Код команды занимает разное количество ячеек в зависимости от выполняемой операции. Арифметические команды имеют формы регистр-регистр и регистр-память. Команды регистр-регистр имеют формат COP RA1 RA2 и занимают 2 байта. Команды регистр-память имеют формат COP R M A и занимают 4 байта. Команды перехода имеют формат COP 0 0 A и занимают 4 байта.
• Регистры: R0-RF, S, S1, FLAGS, PC, IR.

Является расширением модельной машины с регистрами.

Адресация данных теперь производится таким алгоритмом:

1. Возьмем содержимое адресуемого регистра с номером M (от 0x0 до 0xF): R_M. Если номер регистра M равен нулю, значение R_0 также равно нулю вне зависимости от содержимого регистра R0.
2. Добавим к нему адрес A (от 0x0000 до 0xFFFF): R_M + A.
3. Возьмем остаток от деления этого адреса на 2^16: (R_M + A) % 2^16.
4. Возьмем из ОЗУ данные по полученному адресу: [R_M + A].

Таблица кодов команд

Код команды	Мнемоник	Формат	Длина (в байтах)
0x00	load	load R M A	4
0x01	add	add R M A	4
0x02	sub	sub R M A	4
0x03	smul	smul R M A	4
0x04	sdiv	sdiv R M A	4
0x05	comp	comp R M A	4
0x11	addr	addr R M A	4
0x13	umul	umul R M A	4
0x14	udiv	udiv R M A	4
0x10	store	store R M A	4
0x20	rmove	rmove RX RY	2
0x21	radd	radd RX RY	2
0x22	rsub	rsub RX RY	2
0x23	rsmul	rsmul RX RY	2
0x24	rsdiv	rsdiv RX RY	2
0x25	rcomp	rcomp RX RY	2
0x33	rumul	rumul RX RY	2
0x34	rudiv	rudiv RX RY	2
0x80	jump	jump 0 M A	4
0x81	jeq	jeq 0 M A	4
0x82	jneq	jneq 0 M A	4
0x83	sjl	sjl 0 M A	4
0x84	sjgeq	sjgeq 0 M A	4
0x85	sjleq	sjleq 0 M A	4
0x86	sjg	sjg 0 M A	4
0x93	ujl	ujl 0 M A	4
0x94	ujgeq	ujgeq 0 M A	4
0x95	ujleq	ujleq 0 M A	4
0x96	ujg	ujg 0 M A	4
0x99	halt	halt 00	2

Описание команд

• addr R M A: R := R_M + A
• register-memory add, sub, smul, umul - format op R M A:
  • load: S := R; S1 := [R_M + A]
  • exec: S := S op S1 and set FLAGS
  • write back: R := S
• register-memory sdiv, udiv - format op R M A, R_next - регистр, следующий за регистром R; за RF следует R0:
  • load: S := R; S1 := [R_M + A]
  • exec: S := S / S1 and set FLAGS; S1 := S % S1
  • write back: R, R_next := S, S1
• register-memory comp R M A:
  • load: S := S; S1 := [R_M + A]
  • exec: S := S - S1 and set FLAGS
• load R M A: R := [R_M + A]
• store R M A: [R_M + A] := R
• register-register radd, rsub, rsmul, rumul - format op X Y:
  • load: S := R_X; S1 := R_Y
  • exec: S := S op S1 and set FLAGS
  • write back: R_X := S
• register-register rsdiv, rudiv - format op X Y:
  • load: S := R_X; S1 := R_Y
  • exec: S := S / S1 and set FLAGS; S1 := S % S1
  • write back: R_X := S; R_next := S1
• register-register rcomp X Y:
  • load: S := R_X; S1 := R_Y
  • exec: S := S - S1 and set FLAGS
• register-register rmove X Y: R_X := R_Y
• jump A: PC := R_M + A
• jeq, jneq, jl, jleq, jg, jgeq - format op 0 M A: if op(FLAGS) then PC := R_M + A
• halt: FLAGS := HALT

See also

• Config
• Implementation
• Development
• Road map

References

1. E. А. Бордаченкова - Модельные ЭВМ
2. Е. А. Бордаченкова - Архитектура ЭВМ. Учебные машины. Методическое пособие
3. В. Г. Баула - Введение в архитектуру ЭВМ и системы программирования
4. Учебная трёхадресная машина УМ-3
5. Сборник упражнений по учебным машинам