Alg. Транслятор и модель

Нуруллаев Даниил P33121.
alg | acc | harv | hw | instr | struct | stream | port | prob5

Язык программирования

program ::= term

term ::= command
        | number
        | string


command ::= "write" | "read" | while | "endWhile" | "=" | "==" | "if" | "else" | "endIf" | "+" | "-" | "/" | "*" | "%"

string ::= string name = "value"

number ::= number name =  value

Код выполняется последовательно. Операции:

+ -- ... a b >> ... a+b
- -- ... a b >> ... a-b
/ -- ... a b >> ... a/b
% -- ... a b >> ... a%b
* -- ... a b >> ... a*b
if -- возьмёт два значения переданных в if и сравнит их, и если оно True, то перейдёт далее. Если False, то прыгнет на ELSE
else -- сработает в случае, если операнды из if не равны
endIf -- закрывает блок кода, принадлежащий if
while -- проверяет опернад равен нулю или нет, если операнд равен нулю, то перейдет на endWhile+1, иначе пойдет дальше
endWhile -- вовзращается на while
read -- читает данные из input_file в перменную (string | number), если перменная типа number, то запишет данные в ячейку памяти с прямой адресацией, если же переменная типа string, то запишет данные с косвенной адресацией
write -- запишет данные в output_buffer, если переменная типа number, то запишет данные из памяти с прямой адресацией в output_buffer, если же переменная типа string, то запишет данные из памяти с косвенной адрессацией в output_buffer

Организация памяти

Модель памяти процессора:

Память команд. Машинное слово -- не определено. Реализуется списком словарей, описывающих инструкции (одно слово -- одна ячейка).
Память данных. Машинное слово -- 32 бита, знаковое. Линейное адресное пространство. Реализуется списком чисел.

Строки, объявленные пользователем распеделяются по памяти один символ на ячейку.

Program memory
+-----------------------------+
| 00  : RD_MEM k              |
| 01  : JZ n                  |  
|    ...                      | 
| n   : HLT                   |
|    ...                      |
+-----------------------------+

Data memory
+-----------------------------+
| 00  : number                |
|    ...                      |
| 511 : number                |
| 512 : indirect              |
|    ...                      |
| 1023: indirect              |
| 1024: string                |
|    ...                      |
| 2047: string                |
+-----------------------------+

Система команд

Особенности процессора:

Машинное слово -- 32 бит, знаковое.
Память:
- адресуется через регистр data_address;
- может быть записана:
  - с порта ввода;
  - с acc;
- может быть прочитана:
  - в acc;
Регистр аккумулятора: acc:
- может быть подан на вывод;
- используется как флаг (сравнение с 0);
- см. память данных.
Ввод-вывод -- порты ввода/вывода, токенизирован, символьный.
program_counter -- счётчик команд:
- инкрементируется после каждой инструкции или перезаписывается инструкцией перехода.

Набор инструкции

Syntax	Mnemonic	Кол-во тактов	Comment
`+`	ADD	2	см. язык
`-`	SUB	2	см. язык
`/`	DIV	2	см. язык
`*`	MUL	2	см. язык
`%`	MOD	2	см. язык
`if`	JNZ {else + 1}	1	см. язык
`else`	JMP {endIf}	1	см. язык
`endIf`	NOP	1	см. язык
`while`	JZ {endWhile + 1}	1	см. язык
`endWhile`	JMP {while}	1	см. язык
`write` {number}	WR_BUF	3	см. язык
`write` {string}	WR_NMEM	5	см. язык
`read` {number}	RD_BUF	3	см. язык
`read` {string}	RD_NMEM	5	см. язык

Кодирование инструкций

Машинный код сериализуется в список JSON.
Один элемент списка, одна инструкция.
Индекс списка -- адрес инструкции. Используется для команд перехода.

Пример:

[
   {
        "opcode": "RD_MEM",
        "arg": 3
    }
]

где:

opcode -- строка с кодом операции;
arg -- аргумент (может отсутствовать);

Типы данные в модуле isa, где:

Opcode -- перечисление кодов операций;
Term -- структура для описания значимого фрагмента кода исходной программы.

Транслятор

Интерфейс командной строки: translator.py <input_file> <target_file> <data_section_file>"

Реализовано в модуле: translator

Этапы трансляции (функция translate):

Трансформирование текста в последовательность значимых термов.
- Переменные:
  - Транслируются в соответствующие значения на этапе трансляции.
  - Задаётся либо числовыми, либо строковыми значениями
Проверка корректности программы (одинаковое количество if, else, endIf и while, endWhile).
Генерация машинного кода.

Правила генерации машинного кода:

одно слово языка -- одна или несколько инструкций;
для команд, однозначно соответствующих инструкциям -- прямое отображение;
для циклов с соблюдением парности (многоточие -- произвольный код):

Номер команды/инструкции Программа Машинный код

n while JZ (k+1)

... ... ...

k endWhile JMP (n)

k+1 ... ...
для условных операторов (многоточие -- произвольный код):

Номер команды/инструкции Программа Машинный код

n if JNZ k+1

... ... ...

k else JMP (l)

... ... ...

l endIf NOP

Модель процессора

Реализовано в модуле: machine.

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

latch_data_address -- защёлкнуть значение в data_address

DataPath

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

latch_acc -- защёлкнуть в аккумулятор выход памяти данных;
wr -- записать в data memory
rd -- прочитать из data memory

Флаги:

zero -- отражает наличие нулевого значения в аккумуляторе.

ControlUnit

Реализован в классе control_unit.

Hardwired (реализовано полностью на python).
Моделирование на уровне инструкций.
Трансляция инструкции в последовательность (0-5 тактов) сигналов: decode_and_execute.

Сигнал:

latch_program_couter -- сигнал для обновления счётчика команд в control_unit.

Особенности работы модели:

Для журнала состояний процессора используется стандартный модуль logging.
Количество инструкций для моделирования ограничено hardcoded константой.
Остановка моделирования осуществляется при помощи исключений:
- EOFError -- если нет данных для чтения из порта ввода-вывода;
- StopIteration -- если выполнена инструкция halt.
Управление симуляцией реализовано в функции simulate.

Апробация

В качестве тестов для machine использовано 5 тестов:

prob5_fast -- программа, решающая 5 проблему Эйлера.
prob5_light -- программа, решающая 5 проблему Эйлера.
Hello World! -- печатает Hello World!
cat -- программа, выводит то, что ввели.
sum -- программа, программа, считающая сумму чисел от 1 до 20.

В качестве тестов для translator использовано 2 теста:

prob5 -- программа, решающая 5 проблему Эйлера.
Hello world! -- печатает Hello World!
sum -- программа, считающая сумму чисел от 1 до 20.

Интеграционные тесты реализованы тут: machine_integration_test и translator_integration_test

CI:

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, но не следует этим злоупотреблять.
pylint -- утилита для проверки качества кода. Некоторые правила отключены в отдельных модулях с целью упрощения кода.
Docker image python-tools включает в себя все перечисленные утилиты. Его конфигурация: Dockerfile.

Пример использования и журнал работы процессора на примере cat:

> cat examples/cat.javajs
string cat = ""
read(cat)
write(cat)
> cat examples/input.txt
LAB3 PO AK
> ./translator.py examples/cat.javajs examples/output.txt examples/data.txt
source LoC: 10 code instr: 11
> cat target.out 
[
    {
        "opcode": "RD_NMEM",
        "arg": 512
    },
    {
        "opcode": "WR_NMEM",
        "arg": 512
    },
    {
        "opcode": "HLT"
    }
]
> ./control_unit.py examples/output.txt examples/data.txt examples/input.txt
DEBUG:root:{TICK: 0,PC: 0, ACC: 0 } RD_NMEM 512
DEBUG:root:{TICK: 21,PC: 1, ACC: 75 } WR_NMEM 512
DEBUG:root:output: '' << 'L'
DEBUG:root:output: 'L' << 'A'
DEBUG:root:output: 'LA' << 'B'
DEBUG:root:output: 'LAB' << '3'
DEBUG:root:output: 'LAB3' << ' '
DEBUG:root:output: 'LAB3 ' << 'P'
DEBUG:root:output: 'LAB3 P' << 'O'
DEBUG:root:output: 'LAB3 PO' << ' '
DEBUG:root:output: 'LAB3 PO ' << 'A'
DEBUG:root:output: 'LAB3 PO A' << 'K'
DEBUG:root:{TICK: 44,PC: 2, ACC: 0 } HLT 
INFO:root:output_buffer: 'LAB3 PO AK'

LAB3 PO AK
instr_counter:  2 ticks: 44

ФИО	алг.	code байт	code инстр.	инстр.	такт.	вариант
Нуруллаев Д.	hello	-	2	1	27	alg, acc, harv, hw, instr, struct, stream, port, prob5
Нуруллаев Д.	cat	-	3	2	44	alg, acc, harv, hw, instr, struct, stream, port, prob5
Нуруллаев Д.	prob5	-	47	8206	13507	alg, acc, harv, hw, instr, struct, stream, port, prob5

Name		Name	Last commit message	Last commit date
Latest commit History 3 Commits
.idea		.idea
images		images
tasks		tasks
tests		tests
Memory.py		Memory.py
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

Alg. Транслятор и модель

Язык программирования

Организация памяти

Система команд

Набор инструкции

Кодирование инструкций

Транслятор

Модель процессора

DataPath

ControlUnit

Апробация

About

Releases

Packages

Languages

Номер команды/инструкции	Программа	Машинный код
n	`if`	`JNZ k+1`
...	...	...
k	`else`	`JMP (l)`
...	...	...
l	`endIf`	`NOP`

susaasus1/MyProgrammingLanguage

Folders and files

Latest commit

History

Repository files navigation

Alg. Транслятор и модель

Язык программирования

Организация памяти

Система команд

Набор инструкции

Кодирование инструкций

Транслятор

Модель процессора

DataPath

ControlUnit

Апробация

About

Resources

Stars

Watchers

Forks

Releases

Packages 0

Languages

Packages