Архитектура компьютера. Лабораторная #3: Гусяков Ратмир P3230

Вариант: asm | risc | neum | mc → hw | instr | struct | stream | mem | cstr | prob2 | pipeline
Базовый, без усложнения

Язык программирования. Ассемблер

<program> ::= <line>*

<line> ::= <label>? <instruction_or_string>? <comment>? "\n"

<label> ::= <label_name> ":"

<instruction_or_string> ::= <instr> | <string>

<comment> ::= ";" [^\n]+

<label_name> ::= [A-Za-z_]+

<instr> ::= <op_rrr> <reg> <reg> <reg>
          | <op_rri> <reg> <reg> <imm>
          | <op_noarg>

<string> ::= "\"" [^\n]+ "\""

<op_rrr> ::= "add" | "sub"

<op_rri> ::= "lw"
           | "sw"
           | "beq"
           | "bleq"
           | "addi"
           | "andi"
           | "shr"

<op_noarg> = "halt"

<reg> ::= "$" <reg_idx>

<reg_idx> ::= [0-7]

<imm> ::= <uint> | <label_name>

<uint> ::= [0-9]+

Код выполняется последовательно, видимость label-ов глобальная. Использованные в качестве аргументов label-ы при компиляции заменяются на соответствующие адреса (immediate значения).

Заранее определены два label-а: input и output. Они являются адресами для обращения к устройствам ввода и вывода.

Точкой входа в программу является команда обозначенная label-ом start. При ее отсутствии компилятор завершается с ошибкой.

Строковые литералы хранятся в памяти, по симвоу на одно машинное слово.

Нулевой регистр $0 при чтении всегда возвращает ноль. Запись в него бесполезна и ничего не изменяет

Пример программы для вывода "Hello, World!"

hello: "Hello, World!\0"

start:
    addi $1, $0, 0
loop:
    lw $2, $1, hello
    beq $2, $0, break
    sw $2, $0, output
    addi $1, $1, 1
    beq $0, $0, loop
break:
    halt

Система команд

Операция	Аргументы	Описание
`LW`	$x, $y, imm	Сохранить значение `mem[imm + $y]` в регистр `$x`
`SW`	$x, $y, imm	Сохранить значение регситра `$x` в `mem[imm + $y]`
`BEQ`	$x, $y, imm	Перейти к исполнению команды по адресу `imm`, если значения в `$x` и `$y` равны
`BLEQ`	$x, $y, imm	Перейти к исполнению команды по адресу `imm`, если значение в `$x` меньше или равно чем в `$y`
`ADDI`	$x, $y, imm	Сохранить сумму `$y + imm` в регистр `$x`
`ANDI`	$x, $y, imm	Сохранить битовое И `$y & imm` в регистр `$x`
`ADD`	$x, $y, $z	Сохранить `$y + $z` в регистр `$x`
`SUB`	$x, $y, $z	Сохранить `$y - $z` в регистр `$x`
`SHR`	$x, $y, imm	Сохранить битовый сдвиг `$y >> imm` в регистр `$x`
`HALT`	-	Остановить работу программы

Организация памяти

Симулируется архитектура Фон-Неймана, поэтому команды и данные хранятся в одной памяти. Адресное пространство линейно и адресуемо, длинна машинного слова составляет 32 бита.

Ввод-вывод реализуется через память, поэтому две ячейки зарезервированы для устройства ввода и вывода (0xFF00 и 0xFF01 соответственно)

Помимо памяти машина имеет 8 регистров общего назначения ($0-$7). Нулевой регситр при чтении всегда возвращает 0. Все регистры также хранят 32 бита.

Помимо регистров общего назначения используется недоступные для команд регистры: pc, dr, ar, or1, or2, or3

Транслятор

CLI: translator.py <source_file> <target_file>

Реализовано в модуле: translator

Используя модуль lexer код разбивается на токены, после чего парсер в два обхода (для замены label-ов) создает "машинный код", который представляет из себя json файл.

Исходный код обязательно должен содержать метку start, обозначающую с какой инструкции начнется исполнение программы.

Машинный код для examples/hello.asm:

[
  14, // Метка start
  [
    72, 101, 108, 108, 111, 44, 32, 87, 111, 114, 108, 100, 33, 0, // Байты строки
    [5, [1], [0], [0]], // Команды формата [opcode, ...args]
    [1, [2], [1], [0]],
    [3, [2], [0], [20]],
    [2, [2], [0], [65281]],
    [5, [1], [1], [1]],
    [3, [0], [0], [15]],
    [9]
  ]
]

Модель процессора

CLI: machine.py <machine_code_file> <input_file>

Реализовано в модуле: machine

DataPath

           +-----------------+
           |       OR1       |
           |       OR2       |
           |       OR3       |
      /-+  |       DR        |<-------------------+-------------+
   +-|M |<-|       AR        |-------------+      |             |
   | |U |  |       PC        |  |-\        |      v             v
   | |X |<=|       R0        |  | D|       |  +----------+ +--------+
   |  \-+  |       R1        |<=| M|<------+->|          | |   IO   |
   |       |       ...       |  | U|<---+  |  |  Memory  | +--------+
   |       |       R7        |  | X|<-+ |  |  |          |      ^
   |       +-----------------+  |-/   | |  |  |          |      |
   +--------+  ‖         ‖            | |  |  |          |      |
regs[ar]    |  ‖         ‖            | |  |  |          |      |
            v  v         v            | |  |  |          |      |
           +-------+ +-------+        | |  |  +----------+      |
  +-------->\ MUX /   \ MUX /<--+     | |  |       ^            |
  |          +---+     +---+    |     | |  |       |            |
  |            |         |      |     | |  |       |            |
  |            v         v      |     | |  |  +----------------------+
  |           +--+     +--+     |     | |  +->| Address Code Decoder |
  |            \  \---/  /      |     | |     |                      |
  |          +->\  ALU  /       |     | |     +----------------------+
  |          |   +-----+        |     | |           ^          ^
  |          |    |   |         |     | |           |          |
  |          |    v   +---------|-----+ |           |          |
  |          | +----+ |         |       |           |          |
  |          | |C  Z| |         |       |           |          |
  |          | +----+ |         |       |           |          |
  |          |        v         |       |           |          |
 x_sel    alu_ctrl  feedback   y_sel  rwr_sel      mem_wr     mem_rd

Реализован в классе DataPath

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

mem_wr - Записать данные DR в ячейку памяти с адресом из AR
mem_rd - Записать данные из ячейки памяти по адресу AR в DR

При вводе/выводе (реализованом через память) данные помимо памяти также добавляются в output_buffer / читаются из input_buffer

Запись из АЛУ в регистры также реализована ввиде метода write_register, который вызывается каждый такт. Аргументами метода являются *_sel и alu_ctrl

Описание "селекторов":

x_sel - Выбор первого операнда для АЛУ-операций. Может быть одним из регистров, либо IND_AR (прочитать данные из регистра, индекс которого хранится в нижних битах AR). По умолчанию $0
y_sel - Выбор второго операнда для АЛУ-операций. Может быть одним из регистров. По умолчанию $0
alu_ctrl - Выбор операции выполняемой АЛУ. По умолчанию only_x, то есть просто возврат первого операнда
rwr_sel - Выбор регистра в который надо записать результат АЛУ. Может быть одним из регистров, либо IND_AR (записать данные в регистр, индекс которого хранится в нижних битах AR). По умолчанию $0

Флаги:

zero - Если результат АЛУ равен 0
carry - Если при выполнении операции АЛУ возник перенос

ControlUnit

                    +-----------------------------+
                    |                             |
                    |          Data Path          |
                    |                             |
                    +-----------------------------+
                                |  ^
                                v  |
+-------------------------------------------------------------------+
|                           control_signals                         |
|                                                                   |
|                           Control Circuit                         |
+-------------------------------------------------------------------+
  |   |    |                                                ^
 +1  set  sel                                               |
  |   |    |                                                |
  v   v    |                                                |
 +-----+   |                                                |
 \ MUX /<--+                                                |
  +---+                                +---------------+    |
    |  +-------+                       |               |    |
    +->|  MPC  |-----------------------|   MP memory   |----+
       +-------+                       |               |
           ^                           +---------------+
           |
        latch_mpc

Реализован в классе ControlUnit

Каждый такт вызывается метод соответствующий сигналу latch_mpc и исполняется микроиснтрукция из памяти.

Тестирование

Имплементированы при помощи библиотеки pytest-golden в модуле golden_test

Запустить тесты: poetry run pytest . -v

Обновить конфигурацию golden tests: poetry run pytest . -v --update-goldens

CI при помощи Github Actions:

name: CI

on:
  push:
    branches:
      - main

defaults:
  run:
    working-directory: ./

jobs:
  test:
    runs-on: ubuntu-latest

    steps:
      - name: Checkout code
        uses: actions/checkout@v4

      - name: Set up Python
        uses: actions/setup-python@v4
        with:
          python-version: 3.11

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

      - name: Run tests and collect coverage
        run: |
          poetry run coverage run -m pytest .
          poetry run coverage report -m
        env:
          CI: true

  lint:
    runs-on: ubuntu-latest

    steps:
      - name: Checkout code
        uses: actions/checkout@v4

      - name: Set up Python
        uses: actions/setup-python@v4
        with:
          python-version: 3.11

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

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

      - name: Run Ruff linters
        run: poetry run ruff check .

      - name: Type checking with mypy
        run: poetry run mypy

Пример использования и журнал работы процессора на примере cat.asm:

$ python3 src/translator.py examples/cat.asm target.out
$ cat target.out
[0, [[1, [1], [0], [65280]], [3, [1], [0], [4]], [2, [1], [0], [65281]], [3, [0], [0], [0]], [9]]]
$ echo 'cat' | python3 src/machine.py target.out /dev/stdin
DEBUG:root:executing: op:only_x($8, $0) -> $6 RD
DEBUG:root:control_unit: tick:  0 mpc:  0 regs:   0,    0,    0,    0,    0,    0,    0,    0,    0,    0,    0,    0
DEBUG:root:executing: jmp:only_x(7, 0) LW -> 10
DEBUG:root:control_unit: tick:  1 mpc:  1 regs:   0,    0,    0,    0,    0,    0,    0, LW  ,    0,    0,    0,    0
DEBUG:root:executing: op:mask_snd_r($7, $0) -> $6
DEBUG:root:control_unit: tick:  2 mpc: 10 regs:   0,    0,    0,    0,    0,    0,    0, LW  ,    0,    0,    0,    0
DEBUG:root:executing: op:only_x($-1, $0) -> $10
DEBUG:root:control_unit: tick:  3 mpc: 11 regs:   0,    0,    0,    0,    0,    0,    0, LW  ,    0,    0,    0,    0
DEBUG:root:executing: op:mask_imm($7, $0) -> $11
DEBUG:root:control_unit: tick:  4 mpc: 12 regs:   0,    0,    0,    0,    0,    0,    0, LW  ,    0,    0,    0,    0
DEBUG:root:executing: op:mask_fst_r($7, $0) -> $9
DEBUG:root:control_unit: tick:  5 mpc: 13 regs:   0,    0,    0,    0,    0,    0,    0, LW  ,    0,    0,    0, 65280
DEBUG:root:executing: op:add($10, $11) -> $6
DEBUG:root:control_unit: tick:  6 mpc: 14 regs:   0,    0,    0,    0,    0,    0,    0, LW  ,    0,    1,    0, 65280
DEBUG:root:executing: op:only_x($0, $0) -> $0 RD
DEBUG:root:control_unit: tick:  7 mpc: 15 regs:   0,    0,    0,    0,    0,    0, 65280, LW  ,    0,    1,    0, 65280
DEBUG:root:input: c
DEBUG:root:executing: op:only_x($9, $0) -> $6

# ......

DEBUG:root:executing: jump 0
DEBUG:root:control_unit: tick:228 mpc: 35 regs:   0,    0,    0,    0,    0,    0,    0, BEQ ,    4,    0,    0,    4
DEBUG:root:executing: op:only_x($8, $0) -> $6 RD
DEBUG:root:control_unit: tick:229 mpc:  0 regs:   0,    0,    0,    0,    0,    0,    0, BEQ ,    4,    0,    0,    4
DEBUG:root:executing: jmp:only_x(7, 0) LW -> 10
DEBUG:root:control_unit: tick:230 mpc:  1 regs:   0,    0,    0,    0,    0,    0,    4, HALT,    4,    0,    0,    4
DEBUG:root:executing: jmp:only_x(7, 0) SW -> 19
DEBUG:root:control_unit: tick:231 mpc:  2 regs:   0,    0,    0,    0,    0,    0,    4, HALT,    4,    0,    0,    4
DEBUG:root:executing: jmp:only_x(7, 0) BEQ -> 27
DEBUG:root:control_unit: tick:232 mpc:  3 regs:   0,    0,    0,    0,    0,    0,    4, HALT,    4,    0,    0,    4
DEBUG:root:executing: jmp:only_x(7, 0) BLEQ -> 36
DEBUG:root:control_unit: tick:233 mpc:  4 regs:   0,    0,    0,    0,    0,    0,    4, HALT,    4,    0,    0,    4
DEBUG:root:executing: jmp:only_x(7, 0) ADDI -> 45
DEBUG:root:control_unit: tick:234 mpc:  5 regs:   0,    0,    0,    0,    0,    0,    4, HALT,    4,    0,    0,    4
DEBUG:root:executing: jmp:only_x(7, 0) ANDI -> 51
DEBUG:root:control_unit: tick:235 mpc:  6 regs:   0,    0,    0,    0,    0,    0,    4, HALT,    4,    0,    0,    4
DEBUG:root:executing: jmp:only_x(7, 0) SHR -> 57
DEBUG:root:control_unit: tick:236 mpc:  7 regs:   0,    0,    0,    0,    0,    0,    4, HALT,    4,    0,    0,    4
DEBUG:root:executing: jmp:only_x(7, 0) ADD -> 63
DEBUG:root:control_unit: tick:237 mpc:  8 regs:   0,    0,    0,    0,    0,    0,    4, HALT,    4,    0,    0,    4
DEBUG:root:executing: jmp:only_x(7, 0) HALT -> 70
DEBUG:root:control_unit: tick:238 mpc:  9 regs:   0,    0,    0,    0,    0,    0,    4, HALT,    4,    0,    0,    4
DEBUG:root:executing: op:only_x($0, $0) -> $0 STOP
DEBUG:root:control_unit: tick:239 mpc: 70 regs:   0,    0,    0,    0,    0,    0,    4, HALT,    4,    0,    0,    4
cat

Пример проверки исходного кода:

$ poetry run pytest . -v
============================= test session starts ==============================
platform linux -- Python 3.10.12, pytest-7.4.4, pluggy-1.5.0 -- /home/bonbon/.cache/pypoetry/virtualenvs/asm-sim-M9AJxD4x-py3.10/bin/python
cachedir: .pytest_cache
rootdir: /home/bonbon/itmo/arch/lab3
configfile: pyproject.toml
plugins: golden-0.2.2
collected 5 items

src/golden_test.py::test_translator_asm_and_machine[golden/fib.yml] PASSED [ 20%]
src/golden_test.py::test_translator_asm_and_machine[golden/hello.yml] PASSED [ 40%]
src/golden_test.py::test_translator_asm_and_machine[golden/hello_user_name.yml] PASSED [ 60%]
src/golden_test.py::test_translator_asm_and_machine[golden/cat.yml] PASSED [ 80%]
src/golden_test.py::test_translator_asm_and_machine[golden/gcd.yml] PASSED [100%]

============================== 5 passed in 2.46s ===============================
$ poetry run ruff check .
$ poetry run ruff format .
7 files left unchanged
$ poetry run mypy
Success: no issues found in 7 source files

Статистика

| ФИО                       | алг   | LoC | code байт | code инстр. | инстр | такт | вариант |
| Гусяков Ратмир Кириллович | hello | 11  | -         | 7           | 69    | 895  | asm | risc | neum | mc -> hw | instr | struct | stream | mem | cstr | prob2 | pipeline |
| Гусяков Ратмир Кириллович | prob2 | 34  | -         | 26          | 145   | 2222 | asm | risc | neum | mc -> hw | instr | struct | stream | mem | cstr | prob2 | pipeline |
| Гусяков Ратмир Кириллович | gcd   | 30  | -         | 20          | 148   | 2049 | asm | risc | neum | mc -> hw | instr | struct | stream | mem | cstr | prob2 | pipeline |

Name		Name	Last commit message	Last commit date
Latest commit History 23 Commits
.github/workflows		.github/workflows
examples		examples
src		src
.gitignore		.gitignore
Makefile		Makefile
README.adoc		README.adoc
full-scheme.md		full-scheme.md
poetry.lock		poetry.lock
pyproject.toml		pyproject.toml

Provide feedback

Saved searches

Use saved searches to filter your results more quickly

Repository files navigation

Архитектура компьютера. Лабораторная #3: Гусяков Ратмир P3230

Язык программирования. Ассемблер

Система команд

Организация памяти

Транслятор

Модель процессора

DataPath

ControlUnit

Тестирование

Статистика

About

Releases

Packages

Languages

B0nBun/asm-sim

Folders and files

Latest commit

History

Repository files navigation

Архитектура компьютера. Лабораторная #3: Гусяков Ратмир P3230

Язык программирования. Ассемблер

Система команд

Организация памяти

Транслятор

Модель процессора

DataPath

ControlUnit

Тестирование

Статистика

About

Resources

Stars

Watchers

Forks

Releases

Packages 0

Languages

Packages