В прошлых темах мы посмотрели, как помещать в регистры какие-нибудь числа, копировать их из одного регистра в другой и так далее. Но при этом не учитывалась разрядность регистров. В качестве примера будем считать, что наши регистры - 32-разрядные. Соответственно больше 32 бит в них поместить нельзя. А поскольку в качестве языка программирования выбран язык Python, то числа, которыми мы манипулируем, потенциально могут иметь и гораздо большее количество разрядов. И нам надо что-то с этим сделать.
В Python нет, отдельных числовых типов для чисел разной разрядности, как в C или Java, и нам надо самостоятельно убирать старшие разряды, кроме
первых 32. С одной стороны, это сделать легко, так как мы можем с помощью операции логического умножения применить маску 0xFFFFFFFF, которая отсеить все избыточные разряды:
num1 = 15
num1 = num1 & 0xFFFFFFFF
print(f"{num1}") # 15
С другой стороны, нам надо учитывать интерпретацию чисел. Например:
num2 = -3
num2 = num2 & 0xFFFFFFFF
print(f"{num2}") # 4294967293
После применения маски вместо отрицательного числа -3 мы получаем положительное число 4294967293. В то же время если мы посмотрим на 16-ричное представление числа после применения маски:
num2 = -3
num2 = num2 & 0xFFFFFFFF
print(f"{num2}") # 4294967293
print(f"{num2:0x}") # fffffffd
То мы увидим, что мы получаем корректное значение - 0xfffffffd при интерпретации как 32 разрядного числа со знаком как раз и представляет число -3. То есть мы имеем дело в реальности с число 0xfffffffd, а как его интерпретировать - как беззнаковое число 4294967293 или как число со знаком -3, это другое дело, которое зависит от контекста.
Возьмем программу из прошлой темы и добавим в нее нормализацию по разрядности:
instructions = [] # список инструкций
r = [0]*4 # значения 4 регистров
# карта сопоставления регистров и их индексов в списке r
regs32 = {"r0":0, "r1":1, "r2":2, "r3":3}
pc = 0 # указатель на следующую инструкцию
# поддерживаемые инструкции и количество их операндов
mnemonics = {"mov":2, "add": 3, "sub":3, "mul": 3, "and": 3, "orr": 3}
# считываем файл hello.s в список инструкций
with open("hello.s", "r", encoding="utf8") as source:
lines = source.readlines()
# обрабатываем строки из файла
for i in range(0,len(lines)):
lines[i] = lines[i].split("//")[0] \
.replace(",", " ") \
.strip().rstrip("\n") \
.lower()
while " " in lines[i]: # заменяем несколько пробелов одним
lines[i] = lines[i].replace(" ", " ")
if(lines[i]) == "": continue # если получилась пустая строка, переходим к следующей строке
tokens = lines[i].split(" ") # разбиваем инструкцию на токены
instructions.append(tokens) # добавляем инструкцию в список instructions
# функций вывода состояния программы на консоль
def print_state(instruction):
print(f"pc:{pc}", end=" ") # выводим значение PC
print(f"{instruction:<16}", end=" ") # выводим текущую инструкцию
for reg in regs32: # выводим регистры
rInd = regs32[reg]
print(f"{reg}:0x{r[rInd]:04x}", end=" ")
print()
# получаем индекс регистра
def get_register_index(token, show_error):
if (token in regs32): return regs32[token]
if show_error: print("Некорректный регистр", token)
return None
# получаем значение регистра
def get_register(token, show_error):
rInd = get_register_index(token, show_error)
if (rInd != None): return r[rInd]
return None
# получаем литерал
def get_literal(token):
try:
result = 0
if (token[0:2]=="0x"): result = int(token[2:],16) # если 16-ричное число
elif (token[0:2]=="0b"): result = int(token[2:],2) # если двоичное число
else: result= int(token)
return result & 0xffffffff # нормализуем литерал до 32 разрядов
except ValueError:
print("Некорректный токен", token)
return None
# получаем операнд, который может быть регистром или литералом
def get_register_or_literal(token):
reg = get_register(token, False)
if (reg != None): return reg
return get_literal(token)
# получаем тип инструкции
def get_opCount(tokens):
if tokens[0] not in mnemonics: # проверяем корректность инструкции
print("Некорректная инструкция ", " ".join(tokens))
return None
# получаем количество операндов для данной инструкции
count = mnemonics[tokens[0]]
if count!= len(tokens[1:]): # проверяем количество операндов
print("Некорректное количество операндов для инструкции: ", " ".join(tokens))
return None
return count
# цикл обработки инструкций
while True:
if pc >= len(instructions): break # если инструкции закончились, то выход из цикла
tokens = instructions[pc] # получаем текущую инструкцию для выполнения
pc = pc + 1 # увеличиваем указатель инструкций
opCount = get_opCount(tokens) # получаем количество операндов
if(opCount == None): break
# получаем операнды
op2, op3 = 0, 0
# первый операнд всегда регистр
op1=get_register_index(tokens[1], True)
# если инструкция с 2-мя операндами, то второй операнд может быть регистром или литералом
if(opCount==2): op2 = get_register_or_literal(tokens[2])
# если инструкция с 3-мя операндами, то второй операнд может быть регистром
# а третий операнд может быть регистром или литералом
if(opCount==3):
op2 = get_register(tokens[2], True)
op3 = get_register_or_literal(tokens[3])
# если какой-то параметр не установлен, завершаем цикл
if(None in [op1, op2, op3]): break
result = 0
match tokens[0]:
case "mov":
result = op2
case "add":
result = op2 + op3
case "sub":
result = op2 - op3
case "mul":
result = op2 * op3
case "and":
result = op2 & op3
case "orr":
result= op2 | op3
r[op1]= result & 0xffffffff # нормализуем число до 32 разрядов
print_state(" ".join(tokens)) # логгируем состояние программы на консоль
Прежде всего в функции get_literal усекаем переданный литерал до 32 разрядов:
def get_literal(token):
try:
result = 0
if (token[0:2]=="0x"): result = int(token[2:],16) # если 16-ричное число
elif (token[0:2]=="0b"): result = int(token[2:],2) # если двоичное число
else: result= int(token)
return result & 0xffffffff # нормализуем литерал до 32 разрядов
except ValueError:
print("Некорректный токен", token)
return None
В реальности в различных ассемблерах часто также действует некоторые ограничения на размер литерала. Некоторые ассемблеры генерируют ошибку, если значение литерала, скажем, больше 32-ти или какого-то другого количества разрядов. Здесь же мы просто отбрасываем старшие разряды.
Кроме того, нам надо следить, чтобы после выполнения инструкции помещаемое в целевой регистр число также представляло не больше 32 разрядов. Для этого также нормализуем значение с помощью маски 0xFFFFFFFF:
r[op1]= result & 0xffffffff # нормализуем число до 32 разрядов
И поскольку теперь десятичное представление числа зависит от интерпретации, при выводе значения регистра в функции print_state заменяем его на шестнадцатеричное представление:
for reg in regs32:
rInd = regs32[reg]
print(f"{reg}:0x{r[rInd]:04x}", end=" ")
Для тестирования в файле hello.s определим следующую программу:
// тестовая программа на ассемблере mov r1, -3 // r1 = 0xFFFFFFFD mov r0, 8 // r0 = 0x08 mov r1, -1 // r1 = 0xFFFFFFFF mov r0, 255 // r0 = 0xFF mov r1, 0x1234 // r1 = 0x00001234 mov r0, 128 // r0 = 0x80
Консольный вывод программы:
pc:1 mov r1 -3 r0:0x0000 r1:0xfffffffd r2:0x0000 r3:0x0000 pc:2 mov r0 8 r0:0x0008 r1:0xfffffffd r2:0x0000 r3:0x0000 pc:3 mov r1 -1 r0:0x0008 r1:0xffffffff r2:0x0000 r3:0x0000 pc:4 mov r0 255 r0:0x00ff r1:0xffffffff r2:0x0000 r3:0x0000 pc:5 mov r1 0x1234 r0:0x00ff r1:0x1234 r2:0x0000 r3:0x0000 pc:6 mov r0 128 r0:0x0080 r1:0x1234 r2:0x0000 r3:0x0000
