Отчёт по лабораторной работе №3

Выполнил: Абульфатов Руслан
Группа: P33312
Вариант: alg | acc | harv | mc | tick | struct | stream | port | cstr | prob2 | [4]char

Язык программирования

По варианту необходимо реализовать Java/JavaScript/Lua-подобный язык.

Был реализован JavaScript-подобный язык с различными упрощениями.

Реализована поддержка:

создание переменных
числовые и строковые литералы
математические выражения с приоритетами и группировкой ()
ветвление if
цикл while
посимвольный ввод/вывод

Грамматика языка:

letter ::= "a" | "b" | "c" | "d" | "e" | "f" | "g" | 
       "h" | "i" | "j" | "k" | "l" | "m" | "n" | 
       "o" | "p" | "q" | "r" | "s" | "t" | "u" | 
       "v" | "w" | "x" | "y" | "z" 

digit ::= "0" | "1" | "2" | "3" | "4" | "5" | "6" | "7" | "8" | "9"

variable_name ::= letter (letter | digit)*

number ::= digit+

string ::= "\"" <any symbol except a double quote>  "\""

string_access ::= variable_name "[" expression "]"        

operator ::= 
    "+" | "-" | "*" | "/" | "%" | 
    "==" | "!=" | "<" | ">" | "<=" | ">=" 
    
expression ::= 
    number |
    variable_name |
    string_access |
    expression operator expression |
    "(" expression ")" |
    "input" "(" ")" 

statement ::= 
    "var" variable_name |
    "if" "(" expression ")" "{" statement* "}" |
    "while" "(" expression ")" "{" statement* "}" |
    variable_name "=" expression |
    variable_name "=" string | 
    string_access "=" expression |
    "print" "(" experession ")"

program ::= statement*

Вычисления производятся последовательно, за исключением ветвления и циклов.

Область видимости всех переменных - глобальная, потому что нет поддержки функций и процедур.

Язык поддерживает два типа данных:

32-битное знаковое целое число
строка (C-string)

Булевые литералы не поддерживаются для упрощения языка, но операции сравнения (==, !=, < и т. д.) возвращают 1 или 0 -- в зависимости от результата сравнения. Операции сравнения не являются частью конструкций if и while, и могут использоваться в любом контексте.

print и input осуществляют ввод/вывод посимвольно. Один символ выводится или вводится за один вызов.

Комментарии не поддерживаются для упрощения транслятора.

Организация памяти

Используется гарвардская модель памяти с разделением на память инструкций и память данных.

Память инструкций: машинное слово -- не определено. Реализуется списком словарей, описывающих инструкции (одно слово -- одна ячейка).

Память данных: машинное слово -- 32-битное целое, знаковое. Линейное адресное пространство. Реализуется списком чисел.

Числовые константы не выделяются в памяти данных, потому что они являются частью инструкций загрузки, сложения и т. д. Например, LD 5 загружает число 5 в ACC, при этом само число является частью инструкции.

Также транслятор может создавать временные числовые переменные при трансляции выражений для сохранения промежуточных результатов, например, при разборе составных математических выражений со скобками. Обращение к данным временным переменным происходит при помощи прямой адресации. Временные переменные также выделяются в памяти данных последовательно, по мере необходимости.

Строки сохраняются в памяти данных последовательно по мере обнаружения их в программе транслятором. Один символ - одна ячейка памяти. Когда строковые переменные встречаются в программе, транслятор использует их адрес в памяти данных.

Программисту доступен один регистр ACC (аккумулятор), все вычисления производятся с его участием. Так как регистр всего один, то никакие переменные не отображаются на него.

Система команд

Особенности процессора:

Аккумуляторная архитектура
32-битное машинное слово
Доступ к памяти инструкций осуществляется по адресу, хранимому в специальном регистре PC.
Доступ к памяти микро-инструкций осуществляется по адресу, хранимому в специальном регистре mPC.
Доступ к памяти данных осуществляется по адресу, хранимому в специальном регистре data_address.
Поток управления:
инкремент mPC после каждой микро-инструкции;
инкремент PC после каждой инструкции;
условные (je, jne, jg, jl, jge, jle) и безусловный (jmp) переходы сбрасывают PC на адрес целевой инструкции

Набор инструкций

Инструкция	Тип аргумента	Кол-во тактов	Пояснение
LD	immediate	2	Загрузка числа в ACC
LD	address	3	Прямая адресация
LD	indirect_address	5	Косвенная адресация
ST	address	3	Сохранение ACC по адресу
ST	indirect_address	4	Косвенная адресация
ADD	immediate	2	Прибавить число к ACC
ADD	address	3	Прямая адресация
SUB	immediate	2	Отнять число от ACC
SUB	address	3	Прямая адресация
MUL	immediate	2	Умножения ACC на число
MUL	address	3	Прямая адресация
DIV	immediate	2	Целочисленное деление ACC на число
DIV	address	3	Прямая адресация
MOD	immediate	2	Деление с остатком ACC на число
MOD	address	3	Прямая адресация
JMP	address	2	Безусловный переход
JE	address	2	Переход при равенстве
JNE	address	2	Переход при неравенстве
JG	address	2	Переход, если больше
JL	address	2	Переход, если меньше
JGE	address	2	Переход, если больше или равно
JLE	address	2	Переход, если меньше или равно
IN	address	3	Ввод из порта
OUT	address	2	Вывод в порт
HLT	(нет аргумента)	2	Останов

Способ кодирования инструкций

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

{
    "opcode": "add",
    "arg_type": "address",
    "arg": 5
}

где:

opcode -- строка с кодом операции;
arg_type -- тип аргумента (например, immediate, address)
arg -- аргумент (отсутствует у инструкции HLT);

Транслятор

Интерфейс командной строки:

python3 translator.py <input_file> <output_code> <output_data>

где

input_file - имя файла с программой на языке программирования
output_code - имя файла для записи списка инструкций в формате JSON
output_data - имя файла для записи памяти данных в формате JSON

Этапы трансляции:

Трансформирование текста в последовательность значимых токенов.
Парсинг токенов с одновременной генерацией машинного кода.

Правила генерации машинного кода:

Один токен языка -- одна или несколько инструкций;
Код для математических выражений генерируется слева направо, все вычисления происходят на аккумуляторе. При необходимости автоматически создаются временные переменные, если вычисление выражения невозможно произвести используя только аккумулятор
Простые присвоения порождают инструкцию ST с предварительным вычислением правой части от знака присвоения =. (Пример инструкции: x = 5)
Присвоения к элементы строки порождают инструкцию ST с предварительным вычислением адреса символа на основе индекса и с вычислением правой части от знака присвоения = (Пример инструкции: s[i] = 97)
Для ветвления if генерируются инструкция перехода JE (прыжок через тело конструкции):

Номер инструкции	Программа	Машинный код
n	if (условие)	(вычисление условия)
n + 1		je k
...	...	(тело условного оператора)
k	...	...

Перед генерацией JE генерируется код, вычисляющий значение условия if.

Для цикла while генерируются инструкция перехода JE (прыжок через тело конструкции):

Номер инструкции	Программа	Машинный код
n	while (условие)	(вычисление условия)
n + 1		je k + 1
...	...	(тело цикла)
k	}	jmp n
k + 1	...	...

Перед генерацией JE генерируется код, вычисляющий значение условия while.

Ключевое слово print генерирует инструкцию вывода в порт -- OUT
Ключевое слово input генерирует инструкцию ввода из порта -- IN

Модель процессора

Интерфейс командной строки:

python3 machine.py <input_code> <input_data> <input_file>

где

input_code - имя файла с программой на языке программирования
input_data - имя файла с описанием памяти данных в формате JSON
input_file - имя файла с входным буффером для симулятора

Проргамма выводит журнал работы симулятора и выход данных процессора на экран.

Data Path

Реализован в классе DataPath.

data_memory -- однопортовая память, поэтому либо читаем, либо пишем.

Сигналы (обрабатываются за один такт):

latch_data_address -- защёлкнуть выбранное значение в регистр data_address:
- выход из модуля памяти (data_out)
- операнд инструкции (instruction_arg)
data_read -- перевод памяти в режим чтения
data_write -- записать аккумулятор в память
latch_acc -- защёлкнуть в аккумулятор выбранное значение:
- операнд инструкции (instruction_arg)
- значение из входного буфера (обработка на Python):
  - извлечь из входного буфера значение и записать в память
  - если буфер пуст -- выбросить исключение
- выход из модуля памяти (data_out)
- результат вычислений на АЛУ
output_write -- записать аккумулятор в порт вывода (обработка на Python).
АЛУ выполняет операцию, заданную alu_operation_sel:
- левый операнд -- всегда аккумулятор
- правый операнд выбирается на основании сигнала alu_operand_sel:
  - выход из модуля памяти (data_out)
  - операнд инструкции (instruction_arg)

Флаги:

negative_flag -- отражает наличие отрицательного значения в аккумуляторе.
zero_flag -- отражает наличие нулевого значения в аккумуляторе.
positive_flag -- отражает наличие положительного значения в аккумуляторе.

Control Unit

Реализован в классе ControlUnit.

code_memory -- однопортовая память, поэтому либо читаем, либо пишем. Всегда находится в режиме чтения.

micro_code_memory -- однопортовая память, поэтому либо читаем, либо пишем. Всегда находится в режиме чтения.

Сигналы:

latch_pc - записать в регистр PC выбранное значение:
- аргумент инструкции перехода (JMP, JE, JG и т.д.)
- адрес следующей инструкции
mpc_sel - записать в регистр mPC выбранное значение:
- ноль - выбор специальной микро-инструкции для загрузки нового микрокода (выбирается при переходе к новой инструкции)
- адрес, приходящий с декодера инструкции (используется, когда новая инструкция уже выбрана в памяти инструкций)
- адрес следующей микро-инструкции
jump_if_negative, jump_if_zero, jump_if_positive - активные, если необходимо сделать условный или безусловный прыжок (данные сигналы сигналы показывают условие перехода)

Тестирование

В качестве тестов использовано четыре задачи:

hello world -- программа, выводящая "hello world"
cat -- программа cat, повторяем ввод на выводе.
hello user name -- программа, приветствующая пользователя
prob2 -- подсчёт чётных чисел Фибоннаячи до 4000000

Интеграционные тесты реализованы в файле tests/test_golden.py с использованием golden-тестов.

CI:

name: CI

on:
  push:
    branches:
      - main
  pull_request:
    branches:
      - main

permissions:
  contents: read

jobs:

  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 --no-root

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

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

  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
        run: |
          poetry run pytest ./tests -v

Все задачи запускаются на образе ОС ubuntu-latest.
Устанавливается Python
Устанавливается менеджер пакетов poetry
Устанавливаются зависимости:
- ruff -- утилита для форматирования и проверки стиля кодирования.
- pytest -- утилита для запуска тестов.
Запускаются линтер, форматтер и тесты

Пример использования и журнал работы процессора на примере cat:

$ cat cat.js
var char
while (1) {
   char = input()
   print(char)
}
$ cat cat.txt
foo
$ python3 translator.py cat.js cat.code cat.data
LoC: 5, code instructinos: 8
$ python3 machine.py cat.code cat.data cat.txt
tick #1: PC=0 MPC=1 ACC=0 DA=0 DOUT=None  LD 1
input=['f', 'o', 'o', '\n'] output=[]
tick #2: PC=1 MPC=0 ACC=1 DA=0 DOUT=None  JE 7
input=['f', 'o', 'o', '\n'] output=[]
tick #3: PC=1 MPC=22 ACC=1 DA=0 DOUT=None  JE 7
input=['f', 'o', 'o', '\n'] output=[]
tick #4: PC=2 MPC=0 ACC=1 DA=0 DOUT=None  IN 0
input=['f', 'o', 'o', '\n'] output=[]
tick #5: PC=2 MPC=28 ACC=1 DA=0 DOUT=None  IN 0
input=['f', 'o', 'o', '\n'] output=[]
tick #6: PC=2 MPC=29 ACC=1 DA=0 DOUT=None  IN 0
input=['o', 'o', '\n'] output=[]
tick #7: PC=3 MPC=0 ACC=102 DA=0 DOUT=None  ST [0]
input=['o', 'o', '\n'] output=[]
tick #8: PC=3 MPC=9 ACC=102 DA=0 DOUT=None  ST [0]
input=['o', 'o', '\n'] output=[]
tick #9: PC=3 MPC=10 ACC=102 DA=0 DOUT=None  ST [0]
input=['o', 'o', '\n'] output=[]
tick #10: PC=4 MPC=0 ACC=102 DA=0 DOUT=None  LD [0]
input=['o', 'o', '\n'] output=[]
tick #11: PC=4 MPC=7 ACC=102 DA=0 DOUT=None  LD [0]
input=['o', 'o', '\n'] output=[]
tick #12: PC=4 MPC=8 ACC=102 DA=0 DOUT=102  LD [0]
input=['o', 'o', '\n'] output=[]
tick #13: PC=5 MPC=0 ACC=102 DA=0 DOUT=None  OUT 0
input=['o', 'o', '\n'] output=[]
tick #14: PC=5 MPC=30 ACC=102 DA=0 DOUT=None  OUT 0
input=['o', 'o', '\n'] output=[]
tick #15: PC=6 MPC=0 ACC=102 DA=0 DOUT=None  JMP 0
input=['o', 'o', '\n'] output=['f']
tick #16: PC=6 MPC=21 ACC=102 DA=0 DOUT=None  JMP 0
input=['o', 'o', '\n'] output=['f']
tick #17: PC=0 MPC=0 ACC=102 DA=0 DOUT=None  LD 1
input=['o', 'o', '\n'] output=['f']
tick #18: PC=0 MPC=1 ACC=102 DA=0 DOUT=None  LD 1
input=['o', 'o', '\n'] output=['f']
tick #19: PC=1 MPC=0 ACC=1 DA=0 DOUT=None  JE 7
input=['o', 'o', '\n'] output=['f']
tick #20: PC=1 MPC=22 ACC=1 DA=0 DOUT=None  JE 7
input=['o', 'o', '\n'] output=['f']
tick #21: PC=2 MPC=0 ACC=1 DA=0 DOUT=None  IN 0
input=['o', 'o', '\n'] output=['f']
tick #22: PC=2 MPC=28 ACC=1 DA=0 DOUT=None  IN 0
input=['o', 'o', '\n'] output=['f']
tick #23: PC=2 MPC=29 ACC=1 DA=0 DOUT=None  IN 0
input=['o', '\n'] output=['f']
tick #24: PC=3 MPC=0 ACC=111 DA=0 DOUT=None  ST [0]
input=['o', '\n'] output=['f']
tick #25: PC=3 MPC=9 ACC=111 DA=0 DOUT=None  ST [0]
input=['o', '\n'] output=['f']
tick #26: PC=3 MPC=10 ACC=111 DA=0 DOUT=None  ST [0]
input=['o', '\n'] output=['f']
tick #27: PC=4 MPC=0 ACC=111 DA=0 DOUT=None  LD [0]
input=['o', '\n'] output=['f']
tick #28: PC=4 MPC=7 ACC=111 DA=0 DOUT=None  LD [0]
input=['o', '\n'] output=['f']
tick #29: PC=4 MPC=8 ACC=111 DA=0 DOUT=111  LD [0]
input=['o', '\n'] output=['f']
tick #30: PC=5 MPC=0 ACC=111 DA=0 DOUT=None  OUT 0
input=['o', '\n'] output=['f']
tick #31: PC=5 MPC=30 ACC=111 DA=0 DOUT=None  OUT 0
input=['o', '\n'] output=['f']
tick #32: PC=6 MPC=0 ACC=111 DA=0 DOUT=None  JMP 0
input=['o', '\n'] output=['f', 'o']
tick #33: PC=6 MPC=21 ACC=111 DA=0 DOUT=None  JMP 0
input=['o', '\n'] output=['f', 'o']
tick #34: PC=0 MPC=0 ACC=111 DA=0 DOUT=None  LD 1
input=['o', '\n'] output=['f', 'o']
tick #35: PC=0 MPC=1 ACC=111 DA=0 DOUT=None  LD 1
input=['o', '\n'] output=['f', 'o']
tick #36: PC=1 MPC=0 ACC=1 DA=0 DOUT=None  JE 7
input=['o', '\n'] output=['f', 'o']
tick #37: PC=1 MPC=22 ACC=1 DA=0 DOUT=None  JE 7
input=['o', '\n'] output=['f', 'o']
tick #38: PC=2 MPC=0 ACC=1 DA=0 DOUT=None  IN 0
input=['o', '\n'] output=['f', 'o']
tick #39: PC=2 MPC=28 ACC=1 DA=0 DOUT=None  IN 0
input=['o', '\n'] output=['f', 'o']
tick #40: PC=2 MPC=29 ACC=1 DA=0 DOUT=None  IN 0
input=['\n'] output=['f', 'o']
tick #41: PC=3 MPC=0 ACC=111 DA=0 DOUT=None  ST [0]
input=['\n'] output=['f', 'o']
tick #42: PC=3 MPC=9 ACC=111 DA=0 DOUT=None  ST [0]
input=['\n'] output=['f', 'o']
tick #43: PC=3 MPC=10 ACC=111 DA=0 DOUT=None  ST [0]
input=['\n'] output=['f', 'o']
tick #44: PC=4 MPC=0 ACC=111 DA=0 DOUT=None  LD [0]
input=['\n'] output=['f', 'o']
tick #45: PC=4 MPC=7 ACC=111 DA=0 DOUT=None  LD [0]
input=['\n'] output=['f', 'o']
tick #46: PC=4 MPC=8 ACC=111 DA=0 DOUT=111  LD [0]
input=['\n'] output=['f', 'o']
tick #47: PC=5 MPC=0 ACC=111 DA=0 DOUT=None  OUT 0
input=['\n'] output=['f', 'o']
tick #48: PC=5 MPC=30 ACC=111 DA=0 DOUT=None  OUT 0
input=['\n'] output=['f', 'o']
tick #49: PC=6 MPC=0 ACC=111 DA=0 DOUT=None  JMP 0
input=['\n'] output=['f', 'o', 'o']
tick #50: PC=6 MPC=21 ACC=111 DA=0 DOUT=None  JMP 0
input=['\n'] output=['f', 'o', 'o']
tick #51: PC=0 MPC=0 ACC=111 DA=0 DOUT=None  LD 1
input=['\n'] output=['f', 'o', 'o']
tick #52: PC=0 MPC=1 ACC=111 DA=0 DOUT=None  LD 1
input=['\n'] output=['f', 'o', 'o']
tick #53: PC=1 MPC=0 ACC=1 DA=0 DOUT=None  JE 7
input=['\n'] output=['f', 'o', 'o']
tick #54: PC=1 MPC=22 ACC=1 DA=0 DOUT=None  JE 7
input=['\n'] output=['f', 'o', 'o']
tick #55: PC=2 MPC=0 ACC=1 DA=0 DOUT=None  IN 0
input=['\n'] output=['f', 'o', 'o']
tick #56: PC=2 MPC=28 ACC=1 DA=0 DOUT=None  IN 0
input=['\n'] output=['f', 'o', 'o']
tick #57: PC=2 MPC=29 ACC=1 DA=0 DOUT=None  IN 0
input=[] output=['f', 'o', 'o']
tick #58: PC=3 MPC=0 ACC=10 DA=0 DOUT=None  ST [0]
input=[] output=['f', 'o', 'o']
tick #59: PC=3 MPC=9 ACC=10 DA=0 DOUT=None  ST [0]
input=[] output=['f', 'o', 'o']
tick #60: PC=3 MPC=10 ACC=10 DA=0 DOUT=None  ST [0]
input=[] output=['f', 'o', 'o']
tick #61: PC=4 MPC=0 ACC=10 DA=0 DOUT=None  LD [0]
input=[] output=['f', 'o', 'o']
tick #62: PC=4 MPC=7 ACC=10 DA=0 DOUT=None  LD [0]
input=[] output=['f', 'o', 'o']
tick #63: PC=4 MPC=8 ACC=10 DA=0 DOUT=10  LD [0]
input=[] output=['f', 'o', 'o']
tick #64: PC=5 MPC=0 ACC=10 DA=0 DOUT=None  OUT 0
input=[] output=['f', 'o', 'o']
tick #65: PC=5 MPC=30 ACC=10 DA=0 DOUT=None  OUT 0
input=[] output=['f', 'o', 'o']
tick #66: PC=6 MPC=0 ACC=10 DA=0 DOUT=None  JMP 0
input=[] output=['f', 'o', 'o', '\n']
tick #67: PC=6 MPC=21 ACC=10 DA=0 DOUT=None  JMP 0
input=[] output=['f', 'o', 'o', '\n']
tick #68: PC=0 MPC=0 ACC=10 DA=0 DOUT=None  LD 1
input=[] output=['f', 'o', 'o', '\n']
tick #69: PC=0 MPC=1 ACC=10 DA=0 DOUT=None  LD 1
input=[] output=['f', 'o', 'o', '\n']
tick #70: PC=1 MPC=0 ACC=1 DA=0 DOUT=None  JE 7
input=[] output=['f', 'o', 'o', '\n']
tick #71: PC=1 MPC=22 ACC=1 DA=0 DOUT=None  JE 7
input=[] output=['f', 'o', 'o', '\n']
tick #72: PC=2 MPC=0 ACC=1 DA=0 DOUT=None  IN 0
input=[] output=['f', 'o', 'o', '\n']
tick #73: PC=2 MPC=28 ACC=1 DA=0 DOUT=None  IN 0
input=[] output=['f', 'o', 'o', '\n']
end of input - simulation terminated
instructions executed: 31, ticks: 73
output=['f', 'o', 'o', '\n']

Пример проверки исходного кода:

============================= test session starts ==============================
platform linux -- Python 3.11.8, pytest-7.4.4, pluggy-1.4.0 -- /home/runner/.cache/pypoetry/virtualenvs/test-ci-ZmaL7ir5-py3.11/bin/python
cachedir: .pytest_cache
rootdir: /home/runner/work/csa_lab3/csa_lab3
configfile: pyproject.toml
plugins: golden-0.2.2
collecting ... collected 4 items

tests/test_golden.py::test_golden[cat.yaml] PASSED                       [ 25%]
tests/test_golden.py::test_golden[hello.yaml] PASSED                     [ 50%]
tests/test_golden.py::test_golden[fib.yaml] PASSED                       [ 75%]
tests/test_golden.py::test_golden[hello_user.yaml] PASSED                [100%]

| ФИО                         | алг        | LoC | code байт | code инстр. | инстр. | такт. | вариант                                                                        |
| Абульфатов Руслан Мехтиевич | cat        | 5   | -         | 8           | 31     | 73    | alg | acc | harv | mc | tick | struct | stream | port | cstr | prob2 | [4]char |
| Абульфатов Руслан Мехтиевич | fib        | 30  | -         | 72          | 888    | 2225  | alg | acc | harv | mc | tick | struct | stream | port | cstr | prob2 | [4]char |
| Абульфатов Руслан Мехтиевич | hello      | 8   | -         | 23          | 750    | 2008  | alg | acc | harv | mc | tick | struct | stream | port | cstr | prob2 | [4]char |
| Абульфатов Руслан Мехтиевич | hello_user | 36  | -         | 118         | 187    | 497   | alg | acc | harv | mc | tick | struct | stream | port | cstr | prob2 | [4]char |

thisaster / csa_lab3 Goto Github PK

csa_lab3's Introduction

Отчёт по лабораторной работе №3

Язык программирования

Организация памяти

Система команд

Набор инструкций

Способ кодирования инструкций

Транслятор

Модель процессора

Data Path

Control Unit

Тестирование

csa_lab3's People

Contributors

Watchers

Recommend Projects

React

Vue.js

Typescript

TensorFlow

Django

Laravel

D3

Recommend Topics

javascript

web

server

Machine learning

Visualization

Game

Recommend Org

Facebook

Microsoft

Google

Alibaba

D3

Tencent

Jobs