Двухадресная виртуальная машина VM5

Курсовой проект по архитектуре ВМ на 2 курсе, язык C++20

Требования к реализации

0. Реализовать интерпретатор как консольное приложение.

1. Объектно-ориентированный подход.

   1. Процессор – отдельный класс, разделение на интерфейс и реализацию.
      Выполнение команд – вызов функтора (не использовать оператор-переключатель!).
      Память – динамический массив, поле-указатель в классе.
   2. Команды процессора – иерархия классов-функторов.
      Базовый класс – абстрактный класс Command с перегруженной операцией operator()
      
      

2. Разработать и описать в пояснительной записке:

   • коды команд
   • методы адресации операндов
   • множество флагов-результатов
   • форматы команд переходов (если не определены)
     
     

   Обязательно должны быть реализованы команды:

   1. Пересылки (по необходимости)
   2. Арифметика (целые и дробные)
   3. Сравнения (целые и дробные)
   4. Ввод-вывод (целые и дробные)
   5. Переходы:
      • безусловный
      • условный
      • к подпрограмме
      • возврат из подпрограммы
        
        

3. Загрузчик программы для виртуальной машины – независимая функция, вызываемая главной программой интерпретатора. 3.1 Код программы для виртуальной машины должен быть записан в текстовом файле. 3.2 Формат представления кода программы в файле должен быть разработан и описан в пояснительной записке. 3.3 Загрузчик должен быть способен загружать код программы по любому адресу памяти 3.3 Главная программа должна получать имя файла как параметр командной строки, и передавать загрузчику как параметр при вызове.

Вариант 5

Двухадресная, с Регистрами Общего Назначения, один операнд в регистре

PSW = IP + Flags, 16+16 = 32 бит.
Память – байтовая, объединяются в 2 и 4 байта. Размер адреса – 16 бит. Данные:

• Короткие целые знаковые, беззнаковые – 2 байта
• Длинные целые знаковые, беззнаковые – 4 байта
• Дробные – 4 байта

РОН – 8 штук, 16 бит; содержимое – короткое целое со знаком, короткое целое без знака (адрес).
Они же – 4 регистра для длинных целых по 32 бита, номера – четные.
Они же – 4 регистра с плавающей точкой по 32 бита, номера – четные.

Структура команд: 2 байта, 4 байта; результат по первому

• 16 бит: l - 1 бит, КОП – 6 бит, s – 1 бит, r1 – 4 бита, r2 – 4 бита
• 32 бита: l - 1 бит, КОП – 6 бит, s – 1 бит, r1 – 4 бита, r2 – 4 бита, offset – 16 бит
• l - длина команды
  • l = 0 - 2 байта
  • l = 1 - 4 байта
• s – размер целого операнда
  • s = 0 – 2 байта
  • s = 1 – 4 байта

Адрес = регистр + смещение (если регистр используется).
Адрес = смещение (если регистр не используется).
Смещение = адрес = константа. Особые случаи: s=1, номер регистра – нечетный.

Это формат пересылок, арифметики целой, арифметики дробной; Пересылка:

• Регистр-регистр
• Регистр-память
• Память-регистр
• арифметика дробная, арифметика целая – то же самое

Переходы:

• безусловный (использование битов s), r1 – не используется
  • s = 0: прямой, IP = адрес
  • s = 1: относительный, IP = IP + адрес.
• условный — то же самое, только проверяются флаги
• вызов подпрограммы: адрес возврата запоминается в регистре – первый операнд
• возврат – безусловный прямой переход
• Если регистр в команде не используется, то на месте номера регистра стоит 1xxx;
• Можно использовать для дополнительных кодов операций!

---

Процессор

PSW - Program State Word

• IP - 16 байт
• Флаги: 0. CF - carry flag (флаг переноса)
  1. ZF - zero flag
  2. SF - sign flag
  3. OF - overflow flag
  4. reserved
• OF имеет значение для знаковых чисел. Равен старшему биту числа (например, для 16-битных чисел проверяется 16 бит, для 64-битных - 64 бит)
• CF имеет значение для беззнаковых чисел. Выставляется при переносе стершего бита в следующий за ним (например, для 16-битных - 17 бит, для 64-битных - 65 бит)

Числа

• short int, short uint - 2 байта
• long int, long uint - 4 байта
• float - 4 байта

РОН - Регистры Общего Назначения

• 8 штук, по 16 бит каждый
  • R0 short
  • R1 short
  • R2 short
  • R3 short
  • R4 short
  • R5 short
  • R6 short
  • R7 short
    или
  • R0 long, float
  • R2 long, float
  • R4 long, float
  • R6 long, float

---

Команды процессора

Результат команды по первому регистру.
Арифметика выполняется только на регистрах.

Команды процессора двух типов: короткая (16 бит) и длинная (32 бит).

• 16 бит: l - 1 бит, КОП – 6 бит, s – 1 бит, r1 – 4 бита, r2 – 4 бита
• 32 бита: l - 1 бит, КОП – 6 бит, s – 1 бит, r1 – 4 бита, r2 – 4 бита, offset – 16 бит
• l - размер команды
• l = 0 - 2 байта
• l = 1 - 4 байта
• s – размер целого операнда
• s = 0 – 2 байта
• s = 1 – 4 байта
• если регистр не используется, на его месте стоит "15"

Арифметические команды

• add - целочисленное сложение
• adc - целочисленное сложение с учетом CF
• inc - инкремент числа
• radd - вещественное сложение

• sub - целочисленное вычитание
• sbb - целочисленное вычитание с учетом CF
• dec - декремент числа
• rsub - вещественное вычитание

• mul - беззнаковое умножение
• imul - знаковое умножение
• rmul - вещественное умножение

• div - беззнаковое деление
• idiv - знаковое деление
• rdiv - вещественное деление

Пересылки

• mov - пересылка регистр-регистр
• load - пересылка память-регистр
• store - пересылка регистр-память
• fill - заполнение регистра числом из offset'а команды

Ввод - вывод

• in - ввод с клавиатуры беззнакового числа
• iin - ввод с клавиатуры знакового числа
• rin - ввод с клавиатуры вещественного числа

• out - вывод в консоль беззнакового числа
• iout - вывод в консоль знакового числа
• rout - вывод в консоль вещественного числа

Сравнение

• cmp - целочисленное сравнение
• rcmp - вещественное сравнение

Переходы

• безусловные:

  • jmp - безусловный прямой
  • call - вызов процедуры
  • ret - возврат из процедуры

• условные:

  • je - jump equal
  • jne - jump not equal

  • знаковые:

    • jg - jump greater
    • jge - jump greater \ equal
    • jl - jump lower
    • jle - jump lower \ equal
    • jo - jump overflow

  • беззнаковые:

    • ja - jump above
    • jae - jump above \ equal
    • jb - jump below
    • jbe - jump below \ equal
    • jc - jump carry

Оперативная память

Размер адреса - 16 бит => размер оперативной памяти = 65536 байт = 64 кБ.

Память представлена динамическим массивом типа byte (unsigned char или uint8_t).

Адресация памяти - байтовая, байты объединяются в слова (word) по 2 байта и в двойные слова (dword) по 4 байта.

Биты команд в памяти располагаются в обратном порядке

Формат файла с программой

Формат файла - текстовый

Длина строки не более 256 символов (включая пробельные символы)

В одной строке записывается одна команда в формате: p opcode s r1 r2 [offset], где:
p - префикс,
opcode - код операции (десятичное число),
s - размер операнда (0 или 1),
r1 - номер первого регистра,
r2 - номер второго регистра (15, если не используется),
offset - смещение (не пишется в случае короткой команды)

Префиксы строки:

• e - execute

• ; (точка с запятой) - комментарий, до конца строки

• числа:

  • a - address
  • s - short (2 байта)
  • l - long (4 байта)
  • r - real

• команды:

  • t - tiny (2 байта)
  • b - big (4 байта)