Отчёт по лабораторной работе № 3

Выполнил Соколов Анатолий Владимирович P3212

Без усложнения

Язык программирования

Язык lisp-подобный.

Любое выражение в скобках (s-expression) возвращает значение. Поддерживаются числовые и строковые литералы. Типизация динамическая, поддерживаются два типа: целые числа и строки.

Причем функции get_char, print_char работают именно с целыми числами. Для while и if можно использовать целые числа, где 0 - это false, а любое другое число - true.

program = s_expression

s_expression = "(" atom ")" | expression | "("s_expression")"
   
atomic_symbol = identifier | string_literal | number

expression = defun_expr 
    | if_expr 
    | while_expr 
    | setq_exp
    | print_char_exp
    | print_string_exp
    | user_defined_function_call_exp
    | progn_exp
    | import_expr
    
defun_expr = "(" "defun" identifier "(" identifiers ")" s_expression ")"

import_expr = "(" "import" *path-to-file ")

identifiers = identifier | identifier identifiers

if_expr = "(" "if" s_expression s_expression s_expression ")"

while_expr = "(" "while" s_expression s_expression ")"

setq_exp = "(" "setq" identifier s_expression ")"

print_char_exp = "(" "print_char" s_expression ")"

print_string_exp = "(" "print_string" s_expression ")"

user_defined_function_call_exp = "(" identifier s_expressions ")"

progn_exp = "(" "progn" s_expressions ")"

s_expressions = s_expression | s_expression s_expressions

identifier = idenitfier_symbol | identifier_symbol identifier

idenitfier_symbol = letter | "_"

string_literal = "\"" *any symbol* "\""

defun - определение функции, возвращает 0. Рекурсивные функции не поддерживаются, так как не требовались.
if - условный оператор, возвращает значение второго выражения, если первое не равно 0, иначе третье. Обязательно должно быть три выражения - условие, ветка иначе, ветка истины.
while - цикл с предусловием, возвращает результат последнего выражения в теле цикла в последней итерации.
setq - присваивание, возвращает значение присвоенной переменной.
print_char - выводит символ с кодом, равным значению выражения, возвращает код символа.
print_string - выводит строку, равную значению выражения, возвращает выведенную строку.
read_char - вводит (читает) символ, возвращает его.
progn - последовательное выполнение выражений, возвращает результат последнего выражения.
вызов функции - возвращает результат функции (последнего выражения в теле функции).
литералы - возвращают сами себя.
идентификаторы - возвращают значение переменной, к которой они привязаны. Использование идентификатора функции без ее вызова недопустимо.

Организация памяти

Фон Неймановская архитектура.

Память представляет из себя четыре секции:

JMP_TO_CODE - единственная инструкция, которая по своей сути является адресной командой JMP, которая переходит на начало секции CODE.
STATIC_DATA - секция, в которой хранятся строки (строковые литералы, а также строки, введенные пользователем) Строки расположены в том порядке, в котором они встречаются в AST программы (в этом контексте объявление буффера для ввода пользователя - тоже строка)
CODE - секция, в которой хранятся инструкции.

После вычисления любого выражения, его результат кладется в аккумулятор. При вычислении выражения с бинарным оператором, второй операнд вычисляется, кладется на стек, после чего вычисляется перывый и проводится операция над ними с помощью адресации относительно стека.

Функции хранятся в секции CODE в виде списка инструкций, которые выполняются последовательно. Перед телом функции идет инструкция JMP, которая позоляет перепрыгнуть через ее тело.

Все переменные аллоцируются на стеке. Если при этом переменная была объявлена внутри функции, область ее видимости ограничивается телом функции.

Числовые литералы загружаются с помощью прямой адресации, считается, что они всегда помещаются в машинное слово.

Так как у процессора аккумуляторная архитектура, то в аккумуляторе всегда хранится лишь результат последнего вычисленного выражения, дополнительных регистров для хранения исключительно переменных нет.

Система команд

Машинное слово - 64 бита, знаковое.
Так как архитектура аккумуляторная, все команды имеют всего один аргумент (или ни одного), а регистр общего назначения всего один.
Ввод-вывод осущетсвляется как поток токенов, port-mapped.
Поток управления:
- Поддерживаются условные и безусловные переходы.
- В случае, если инструкция не касается переходов, то после нее инкрементится IP (Instruction Pointer).

Поддерживаются 4 вида адресации:

Прямая
Относительно стека
Косвенная (относительно значения по переданному адресу)
Адресная

Также команда может быть прямой.

На выполнение каждой инструкции есть 4 цикла:

Цикл выборки инструкции. (2 такта)
Цикл выборки адреса (для адресации относительно стека и косвенной). (1 такт)
Цикл выборки операнда (для всех видов адресации, кроме прямой). (1 такт)
Цикл исполнения.

Набор инструкций

Инструкция	addr/direct	Количество тактов в цикле исполнения	Описание
`LD`	addr	1	AC <- MEM(ADDR)
`ST`	addr	1	MEM(ADDR) <- AC
`ADD`	addr	1	AC <- AC + MEM(ADDR)
`SUB`	addr	1	AC <- AC - MEM(ADDR)
`MUL`	addr	1	AC <- AC * MEM(ADDR)
`DIV`	addr	1	AC <- AC / MEM(ADDR)
`MOD`	addr	1	AC <- AC % MEM(ADDR)
`EQ`	addr	1	if AC == MEM(ADDR) then AC <- 1 else AC <- 0
`GT`	addr	1	if AC > MEM(ADDR) then AC <- 1 else AC <- 0
`LT`	addr	1	if AC < MEM(ADDR) then AC <- 1 else AC <- 0
`JZ`	addr	1	if AC == 0 then IP <- ADDR
`JNZ`	addr	1	if AC != 0 then IP <- ADDR
`JMP`	addr	1	IP <- ADDR
`PUSH`	direct	2	SP <- SP - 1; MEM(SP) <- AC
`POP`	direct	1	SP <- SP + 1
`IN`	direct	1	AC <- next_token
`OUT`	direct	1	print AC
`CALL`	addr	3	SP <- SP - 1; MEM(SP) <- IP; IP <- ADDR
`RET`	direct	2	IP <- MEM(SP); SP <- SP + 1
`HLT`	direct	1	завершение работы программы

Транслятор

Транслятор состоит из двух частей:

Лексер, реализован в tokenizer
Модуль, преобразующий токены в программу, реализован в expression_translator

Также транслятор поддерживает базовый препроцессинг (поддерживается директива import, которая инлайнит весь код по указанному файлу на место самого выражения, содержащего директиву). Это позволяет, например, выделить функцию print_int в отдельную библиотеку здесь

На вход принимает два файла:

Файл с программой на языке высокого уровня.
Путь к файлу, в который будет записана программа в машинных словах (в виде binary файла)

Модель процессора

Модель процессора реализована в machine

DataPath

Реализован в классе DataPath

Элементы:

Z - Флаг zero
DR - Data Register
IP - Instruction Pointer
SP - Stack Pointer
AC - Accumulator
ALU - Arithmetic Logic Unit

ControlUnit

Реализован в классе ControlUnit

Основная работа с данными происходит на уровне DataPath, а ControlUnit с помощью сигналов работает с этими данными. ControlUnit реализован как hardwired.

Тестирование

Для CI использовался пайплайн из примера, но модифицированный под гитхаб:

name: Python CI

on:
  push:
    branches:
      - master

jobs:
  computer-simulator:
    runs-on: ubuntu-latest

    steps:
    - name: Checkout code
      uses: actions/checkout@v2

    - name: Set up Python
      uses: actions/setup-python@v3
      with:
        python-version: 3.12

    - name: Install dependencies
      run: |
        python -m pip install --upgrade pip
        pip install poetry
        poetry install

    - name: Run tests and coverage
      run: |
        poetry run pytest --verbose
        poetry run coverage run -m pytest
        poetry run coverage report

    - name: Run mypy checks
      run: poetry run mypy .

    - name: Check code formatting
      run: poetry run ruff format --check .

    - name: Run code linting
      run: |
        poetry run ruff check .

В качестве линтеров используются ruff, mypy. Тесты с помощью pytest.

Реализованы unit тесты для лексера (test_tokenizer) Также реализованы golden тесты согласно примеру (test_golden):

hello
cat
hello_user_name
prob2

Также реализованы некоторые дополнительные алгоритмы:

every_statement_is_expression
if_demo
many_variables

Подробный разбор одной из программ

Возьмем программу (cat):

  (progn 
    (read_char a)
    (while (> a 0)
      (progn
        (print_char a)
        (read_char a))))

После трансляции она будет выглядеть вот так:

00000000  0c 00 00 00 00 00 02 00  0e 00 00 00 00 00 00 00  |................|
00000010  11 00 00 00 00 00 00 00  01 c0 00 00 00 00 00 00  |................|
00000020  00 00 00 00 00 00 00 00  0e 00 00 00 00 00 00 00  |................|
00000030  00 c0 00 00 00 00 00 01  05 c0 00 00 00 00 00 00  |................|
00000040  0d 00 00 00 00 00 00 00  0a 40 00 00 00 00 02 0e  |.........@......|
00000050  00 c0 00 00 00 00 00 00  12 00 00 00 00 00 00 00  |................|
00000060  11 00 00 00 00 00 00 00  01 c0 00 00 00 00 00 00  |................|
00000070  0c 40 00 00 00 00 02 03  13 00 00 00 00 00 00 00  |.@..............|
00000080

Если не умеете читать hexdump'ы: при вызове транслятора создается файл sys.argv[2].debug.txt

0000 - 0C0000000000000200 - JMP 512 (ADDRESS)
0200 - 0E0000000000000000 - PUSH 
0201 - 110000000000000000 - IN 
0202 - 010000000000000000 - ST 0 (STACK_OFFSET)
0203 - 000000000000000000 - LD 0 (DIRECT)
0204 - 0E0000000000000000 - PUSH 
0205 - 000000000000000001 - LD 1 (STACK_OFFSET)
0206 - 050000000000000000 - GT 0 (STACK_OFFSET)
0207 - 0D0000000000000000 - POP 
0208 - 0A000000000000020E - JZ 526 (ADDRESS)
0209 - 000000000000000000 - LD 0 (STACK_OFFSET)
020A - 120000000000000000 - OUT 
020B - 110000000000000000 - IN 
020C - 010000000000000000 - ST 0 (STACK_OFFSET)
020D - 0C0000000000000203 - JMP 515 (ADDRESS)
020E - 130000000000000000 - HLT

В начале происходит пропуск статической памяти, иницилизируется перменная a посредством пуша ее на стек. Далее она считывается впервые и начинается цикл. В начале цикла мы делаем JNZ на случай, если из ввода нам пришел 0, что будет означать, что в буффере не осталось символов. Далее с помощью вызовов OUT и IN мы выводим пришедший нам символ и считываем его снова. В конце тела цикла мы делаем JMP в его начало, чтобы вновь свериться с условием продолжения.

Лог модели процессора (его начало) выглядит вот так:

DEBUG:root:INSTR_N: 0, TICK: 0, IP: 0, DR: 0, AR: 0, AC: 0, Z: True, INSTR: None, SP: 2048, Stack: 
DEBUG:root:INSTR_N: 1, TICK: 3, IP: 512, DR: 512, AR: 0, AC: 0, Z: True, INSTR: Instr(JMP arg[512 (ADDRESS)] ), SP: 2048, Stack: 
DEBUG:root:INSTR_N: 2, TICK: 6, IP: 513, DR: 512, AR: 0, AC: 0, Z: True, INSTR: Instr(PUSH), SP: 2047, Stack: 0 
DEBUG:root:INSTR_N: 2, TICK: 7, IP: 513, DR: 512, AR: 0, AC: 0, Z: True, INSTR: Instr(PUSH), SP: 2047, Stack: 0 
DEBUG:root:IN: 102 - "f"
DEBUG:root:INSTR_N: 3, TICK: 10, IP: 514, DR: 512, AR: 0, AC: 102, Z: True, INSTR: Instr(IN), SP: 2047, Stack: 0 
DEBUG:root:INSTR_N: 4, TICK: 14, IP: 515, DR: 2047, AR: 0, AC: 102, Z: False, INSTR: Instr(ST arg[0 (STACK_OFFSET)] ), SP: 2047, Stack: 102 
DEBUG:root:INSTR_N: 5, TICK: 17, IP: 516, DR: 0, AR: 0, AC: 0, Z: False, INSTR: Instr(LD arg[0 (DIRECT)] ), SP: 2047, Stack: 102 
DEBUG:root:INSTR_N: 6, TICK: 20, IP: 517, DR: 0, AR: 0, AC: 0, Z: False, INSTR: Instr(PUSH), SP: 2046, Stack: 0 102 
DEBUG:root:INSTR_N: 6, TICK: 21, IP: 517, DR: 0, AR: 0, AC: 0, Z: False, INSTR: Instr(PUSH), SP: 2046, Stack: 0 102 
DEBUG:root:INSTR_N: 7, TICK: 26, IP: 518, DR: 102, AR: 0, AC: 102, Z: False, INSTR: Instr(LD arg[1 (STACK_OFFSET)] ), SP: 2046, Stack: 0 102 
DEBUG:root:INSTR_N: 8, TICK: 31, IP: 519, DR: 0, AR: 0, AC: 1, Z: False, INSTR: Instr(GT arg[0 (STACK_OFFSET)] ), SP: 2046, Stack: 0 102 
DEBUG:root:INSTR_N: 9, TICK: 34, IP: 520, DR: 0, AR: 0, AC: 1, Z: False, INSTR: Instr(POP), SP: 2047, Stack: 102 
DEBUG:root:INSTR_N: 10, TICK: 37, IP: 521, DR: 526, AR: 0, AC: 1, Z: False, INSTR: Instr(JZ arg[526 (ADDRESS)] ), SP: 2047, Stack: 102 
DEBUG:root:INSTR_N: 11, TICK: 42, IP: 522, DR: 102, AR: 0, AC: 102, Z: False, INSTR: Instr(LD arg[0 (STACK_OFFSET)] ), SP: 2047, Stack: 102 
DEBUG:root:OUT: 102 - "f"
DEBUG:root:INSTR_N: 12, TICK: 45, IP: 523, DR: 102, AR: 0, AC: 102, Z: False, INSTR: Instr(OUT), SP: 2047, Stack: 102 
DEBUG:root:IN: 111 - "o"
DEBUG:root:INSTR_N: 13, TICK: 48, IP: 524, DR: 102, AR: 0, AC: 111, Z: False, INSTR: Instr(IN), SP: 2047, Stack: 102 
DEBUG:root:INSTR_N: 14, TICK: 52, IP: 525, DR: 2047, AR: 0, AC: 111, Z: False, INSTR: Instr(ST arg[0 (STACK_OFFSET)] ), SP: 2047, Stack: 111 
DEBUG:root:INSTR_N: 15, TICK: 55, IP: 515, DR: 515, AR: 0, AC: 111, Z: False, INSTR: Instr(JMP arg[515 (ADDRESS)] ), SP: 2047, Stack: 111 
DEBUG:root:INSTR_N: 16, TICK: 58, IP: 516, DR: 0, AR: 0, AC: 0, Z: False, INSTR: Instr(LD arg[0 (DIRECT)] ), SP: 2047, Stack: 111 
DEBUG:root:INSTR_N: 17, TICK: 61, IP: 517, DR: 0, AR: 0, AC: 0, Z: False, INSTR: Instr(PUSH), SP: 2046, Stack: 0 111 
DEBUG:root:INSTR_N: 17, TICK: 62, IP: 517, DR: 0, AR: 0, AC: 0, Z: False, INSTR: Instr(PUSH), SP: 2046, Stack: 0 111 
DEBUG:root:INSTR_N: 18, TICK: 67, IP: 518, DR: 111, AR: 0, AC: 111, Z: False, INSTR: Instr(LD arg[1 (STACK_OFFSET)] ), SP: 2046, Stack: 0 111 
DEBUG:root:INSTR_N: 19, TICK: 72, IP: 519, DR: 0, AR: 0, AC: 1, Z: False, INSTR: Instr(GT arg[0 (STACK_OFFSET)] ), SP: 2046, Stack: 0 111 
DEBUG:root:INSTR_N: 20, TICK: 75, IP: 520, DR: 0, AR: 0, AC: 1, Z: False, INSTR: Instr(POP), SP: 2047, Stack: 111 
DEBUG:root:INSTR_N: 21, TICK: 78, IP: 521, DR: 526, AR: 0, AC: 1, Z: False, INSTR: Instr(JZ arg[526 (ADDRESS)] ), SP: 2047, Stack: 111 
DEBUG:root:INSTR_N: 22, TICK: 83, IP: 522, DR: 111, AR: 0, AC: 111, Z: False, INSTR: Instr(LD arg[0 (STACK_OFFSET)] ), SP: 2047, Stack: 111 
DEBUG:root:OUT: 111 - "o"
DEBUG:root:INSTR_N: 23, TICK: 86, IP: 523, DR: 111, AR: 0, AC: 111, Z: False, INSTR: Instr(OUT), SP: 2047, Stack: 111 
DEBUG:root:IN: 111 - "o"
DEBUG:root:INSTR_N: 24, TICK: 89, IP: 524, DR: 111, AR: 0, AC: 111, Z: False, INSTR: Instr(IN), SP: 2047, Stack: 111 
DEBUG:root:INSTR_N: 25, TICK: 93, IP: 525, DR: 2047, AR: 0, AC: 111, Z: False, INSTR: Instr(ST arg[0 (STACK_OFFSET)] ), SP: 2047, Stack: 111 
DEBUG:root:INSTR_N: 26, TICK: 96, IP: 515, DR: 515, AR: 0, AC: 111, Z: False, INSTR: Instr(JMP arg[515 (ADDRESS)] ), SP: 2047, Stack: 111 
DEBUG:root:INSTR_N: 27, TICK: 99, IP: 516, DR: 0, AR: 0, AC: 0, Z: False, INSTR: Instr(LD arg[0 (DIRECT)] ), SP: 2047, Stack: 111 
DEBUG:root:INSTR_N: 28, TICK: 102, IP: 517, DR: 0, AR: 0, AC: 0, Z: False, INSTR: Instr(PUSH), SP: 2046, Stack: 0 111 
DEBUG:root:INSTR_N: 28, TICK: 103, IP: 517, DR: 0, AR: 0, AC: 0, Z: False, INSTR: Instr(PUSH), SP: 2046, Stack: 0 111 
DEBUG:root:INSTR_N: 29, TICK: 108, IP: 518, DR: 111, AR: 0, AC: 111, Z: False, INSTR: Instr(LD arg[1 (STACK_OFFSET)] ), SP: 2046, Stack: 0 111 
DEBUG:root:INSTR_N: 30, TICK: 113, IP: 519, DR: 0, AR: 0, AC: 1, Z: False, INSTR: Instr(GT arg[0 (STACK_OFFSET)] ), SP: 2046, Stack: 0 111 
DEBUG:root:INSTR_N: 31, TICK: 116, IP: 520, DR: 0, AR: 0, AC: 1, Z: False, INSTR: Instr(POP), SP: 2047, Stack: 111 
DEBUG:root:INSTR_N: 32, TICK: 119, IP: 521, DR: 526, AR: 0, AC: 1, Z: False, INSTR: Instr(JZ arg[526 (ADDRESS)] ), SP: 2047, Stack: 111 
DEBUG:root:INSTR_N: 33, TICK: 124, IP: 522, DR: 111, AR: 0, AC: 111, Z: False, INSTR: Instr(LD arg[0 (STACK_OFFSET)] ), SP: 2047, Stack: 111 
DEBUG:root:OUT: 111 - "o"
DEBUG:root:INSTR_N: 34, TICK: 127, IP: 523, DR: 111, AR: 0, AC: 111, Z: False, INSTR: Instr(OUT), SP: 2047, Stack: 111 
...

Здесь показаны значения регистров, флага zero, раскодированной инструкции и стека (сверху вниз) в конце каждого из тактов.

Аналитика

ФИО	алг.	LoC	code байт	code инстр.	инстр.	такт.	вариант
Соколов Анатолий Владимирович	hello	3	328	41	96	368	lisp \| acc \| neum \| hw \| instr \| binary \| stream \| port \| pstr \| prob2 \| - \|
Соколов Анатолий Владимирович	cat	6	128	16	44	163	lisp \| acc \| neum \| hw \| instr \| binary \| stream \| port \| pstr \| prob2 \| - \|
Соколов Анатолий Владимирович	prob2	19	1.3k	157	1269	5058	lisp \| acc \| neum \| hw \| instr \| binary \| stream \| port \| pstr \| prob2 \| - \|

Provide feedback

Saved searches

Use saved searches to filter your results more quickly

README.md

README.md

Отчёт по лабораторной работе № 3

Язык программирования

Организация памяти

Система команд

Набор инструкций

Транслятор

Модель процессора

DataPath

ControlUnit

Тестирование

Подробный разбор одной из программ

Аналитика

Files

README.md

Latest commit

History

README.md

File metadata and controls

Отчёт по лабораторной работе № 3

Язык программирования

Организация памяти

Система команд

Набор инструкций

Транслятор

Модель процессора

DataPath

ControlUnit

Тестирование

Подробный разбор одной из программ

Аналитика