シンプルなCPUを作ってみよう　（その６）

　　　　 　− C言語によるクロスアセンブラの制作 − 　　改定 (2006.11.15)

信州大学工学部　　井澤　裕司
四十　正稔

１．　はじめに

第2章から、極めてシンプルな構成のCPUを ハードウェア記述言語を用いて設計してきました．
このCPUを動作させるためには，プログラムの開発環境が必要です．

今回，修士1年の 四十 正稔 君に，C言語を用いて専用のアセンブラを開発してもらいました．
本章では，その内容を紹介します．

２．　アセンブリ言語によるCPUのプログラミング

アセンブリ言語を用いて

　　　　 　　　　 1 + 2 + 3 + ‥+ 10 = 55

の計算を，次のようにプログラミングします．

jump 先のラベルに　 :1 と :2 という表記法を用い，分かりやすく記述されている点に注意して下さい．

	ldl	r0	0	-- Reg0(L) に 値 0 をセット
	ldl	r1	1	-- Reg1(L) に 値 1 をセット
	ldl	r2	0	-- Reg2(L) に 値 0 をセット
	ldl	r3	10	-- Reg3(L) に 値 10 をセット
:1				-- ラベル1
	add	r2	r1	-- Reg2 と Reg1 の和を Reg2 に上書き
	add	r0	r2	-- Reg0 と Reg2 の和を Reg0 に上書き
	cmp	r2	r3	-- Reg2 と Reg3 を比較し，一致したら flag = 1
	je	2		-- flag　=　1 のとき　 ラベル2 に jump
	jmp	1		-- ラベル1 に無条件 jump
:2				-- ラベル2
	st	r0	64	-- RAM の 64番地に Reg0 の内容を出力
	hlt			-- CPUの停止
	nop			-- No Operation
	nop			-- No Operation

このようなソースコードをアセンブルすると，次のような mif 形式 のPROMのデータが生成されます．

３．　C言語によるクロスアセンブラの制作

それでは，「クロスアセンブラ」の内容について紹介しましょう．

以下にそのソースコードを示します．

[C言語を用いたクロスアセンブラの例]

//　assembler 2006/11/14 (ver.2)
//　四十正稔

//　CPU15e　用のクロスアセンブラ
//　mifファイル出力

#include	<stdio.h>
#include	<string.h>

#define	IN_FILENAME	"./source.asm"
#define	OUT_FILENAME	"./rom_init.mif"
#define	LINE_MAX	2048	// asmの一行の長さの最大値

/* OP Codes */

#define	MOV	0
#define	ADD	1
#define	SUB	2
#define	AND	3
#define	OR	4
#define	SL	5
#define	SR	6
#define	SRA	7
#define	LDL	8
#define	LDH	9
#define	CMP	10
#define	JE	11
#define	JMP	12
#define	LD	13
#define	ST	14
#define	HLT	15

int	call_opcode( char *, char *);
int	encoder( int , char *);
int	main()
{

　　　　　　　

	FILE	*fp;
	char	buf[LINE_MAX];
	int	output_data[256];	// 出力データの保存領域
	int	input_line_cnt;	// 入力側の行数をカウント
	int	output_line_cnt;	// 出力側の行数をカウント
	int	ir;
	int	label[256];	// ラベル情報の保存領域
	int	label_num;
	int	i;
	char	opcode[256];
	char	output_tmpstr[16];
	int	err_cnt;
	// 初期化
	input_line_cnt = 0;
	output_line_cnt = 0;
	err_cnt = 0;
	// ラベル用変数の初期化
	for (i = 0; i < 256; i++)
		label[i] = 0;	// ラベル用変数の初期化
	// 出力用変数の初期化
	for (i = 0; i < 255; i++)
		output_data[i] = 0;	// NOPを入れる
	output_data [255] = (HLT << 11);		// HLTを入れる
	// ソースファイルのopen
	fp = fopen(IN_FILENAME, "r" );
	if (fp == NULL){
		printf( "ファイルが開けませんでした。\n" );
		return -1;
	}
	printf( "%sを読み込み中。\n" , IN_FILENAME);

	// 読み込み開始
	while (fgets(buf, LINE_MAX, fp) != NULL){
		if( sscanf(buf, "%s" , opcode) == 1){　　　　 // opcodeの取得
			// opcodeにより処理を分ける。
			if (opcode[0] == ':' ){
						// : (ラベル番号) ラベル行の場合
						if (sscanf(buf, ":%d" , &label_num) == 1){
						label[label_num] = output_line_cnt; 　　　　// 現在の出力側行数を代入
						} else { 　　　　// エラー処理
						printf( "%d 行目の\n%sが解析できませんでした。\n" , input_line_cnt + 1, buf);
						err_cnt++;
						}
			} else if (opcode[0] == 　'-' ){
						// --　コメントなので何もしない
			} else {
						// 命令行
						// opcodeごとに変換
						ir = call_opcode(opcode, buf);
						if (ir < 0){ 　　　　　　　　　　　　　 // エラー処理
						printf( "%d 行目の\n%sが解析できませんでした。\n" , input_line_cnt + 1, buf);
						err_cnt++;
						} else {
						output_data[output_line_cnt] = ir;
						output_line_cnt++;
						}
			}
		}
		input_line_cnt++;
	}
	fclose(fp);
	if (err_cnt != 0){
	// エラーがある場合は終了
		printf( "コンパイルができませんでした(エラー %d個)\n" , err_cnt);
		return -1;
	} else {
	// エラーがない場合は書き込み開始
		// ラベル情報の置き換え
		for (i = 0; i < 256; i++){
			if ((output_data[i] & 0x7800 ) == (JE << 11)){ 　　　　　 //　JE命令の場合
			label_num = (output_data[i] & 0x7FF);
			output_data[i] = (JE << 11) | label[label_num]; 　 //　ラベル番号をアドレスに置き換える
			}
			if ((output_data[i] & 0x7800 ) == (JMP << 11)){ 　　　　　 //　JMP命令の場合
			label_num = (output_data[i] & 0x7FF);
			output_data[i] = (JMP << 11) | label[label_num]; //　ラベル番号をアドレスに置き換える
			}
		}
		//書き込みファイルをopen
		fp = fopen(OUT_FILENAME, "w" );
		if (fp == NULL){
		printf( "書き込みファイルが開けませんでした。\n" );
		return -1;
		}
		//mifファイルを出力
		fprintf(fp, "DEPTH = 256;\nWIDTH = 15;\n" );
		fprintf(fp, "ADDRESS_RADIX = HEX;\nDATA_RADIX = BIN;\n" );
		fprintf(fp, "CONTENT\n\tBEGIN\n" );
		fprintf(fp, "[00..7F]\t:\t000000000000;\n" );
		for (i = 0; i < 256; i++){
			encoder(output_data[i], output_tmpstr);
			if (i < 16){
			fprintf(fp, "\t0%X\t:\t%s;-- %X \n" , i, output_tmpstr, output_data[i]);
			} else {
			fprintf(fp, "\t%X\t:\t%s;-- %X \n" , i, output_tmpstr, output_data[i]);
			}
		}
		fprintf(fp, "END;\n\n" );
		fclose(fp);
		printf( "コンパイルは正常に終了しました。\n" );
		printf( "%sに書き出しました。\n" , OUT_FILENAME);
		return 0;
	}
}
int call_opcode( char *opcode, char *op_data)
{
	int 　ra, rb, data, addr, label_num;
	char tmp_str[256];
// opcodeごとに変換
	if (strcmp(opcode, "mov" ) == 0){
		if (sscanf(op_data, "%s r%d r%d" , tmp_str, &ra, &rb) == 3)
		return (MOV << 11) | (ra << 8) | (rb << 5);
	}
	if (strcmp(opcode, "add" ) == 0){
		if (sscanf(op_data, "%s r%d r%d" , tmp_str, &ra, &rb) == 3)
		return (ADD << 11) | (ra << 8) | (rb << 5);
	}
	if (strcmp(opcode, "sub" ) == 0){
		if (sscanf(op_data, "%s r%d r%d" , tmp_str, &ra, &rb) == 3)
		return (SUB << 11) | (ra << 8) | (rb << 5);
	}
	if (strcmp(opcode, "and" ) == 0){
		if (sscanf(op_data, "%s r%d r%d" , tmp_str, &ra, &rb) == 3)
		return (AND << 11) | (ra << 8) | (rb << 5);
	}
	if (strcmp(opcode, "or" ) == 0){
		if(sscanf(op_data, "%s r%d r%d" , tmp_str, &ra, &rb) == 3)
		return (OR << 11) | (ra << 8) | (rb << 5);
	}
	if (strcmp(opcode, "sl" ) == 0){
		if (sscanf(op_data, "%s r%d" , tmp_str, &ra) == 2)
		return (SL << 11) | (ra << 8);
	}
	if (strcmp(opcode, "sr" ) == 0){
		if (sscanf(op_data, "%s r%d" , tmp_str, &ra) == 2)
		return (SR << 11) | (ra << 8);
	}
	if (strcmp(opcode, "sra" ) == 0){
		if (sscanf(op_data, "%s r%d" , tmp_str, &ra) == 2)
		return (SRA << 11) | (ra << 8);
	}
	if (strcmp(opcode, "ldl" ) == 0){
		if (sscanf(op_data, "%s r%d %d" , tmp_str, &ra, &data) == 3)
		return (LDL << 11) | (ra << 8) | data;
	}
	if (strcmp(opcode, "ldh" ) == 0){
		if (sscanf(op_data, "%s r%d %d" , tmp_str, &ra, &data) == 3)
		return (LDH << 11) | (ra << 8) | data;
	}
	if (strcmp(opcode, "cmp" ) == 0){
		if (sscanf(op_data, "%s r%d r%d" , tmp_str, &ra, &rb) == 3)
		return (CMP << 11) | (ra << 8) | (rb << 5);
	}
	if (strcmp(opcode, "je" ) == 0){
		if (sscanf(op_data, "%s %d" , tmp_str, &label_num) == 2)　　　　 // 一時的にレベル番号を書き込む
		return (JE << 11) | label_num;
	}
	if (strcmp(opcode, "jmp" ) == 0){
		if (sscanf(op_data, "%s %d" , tmp_str, &label_num) == 2)　　　　 // 一時的にレベル番号を書き込む
		return (JMP << 11) | label_num;
	}
	if (strcmp(opcode, "ld" ) == 0){
		if (sscanf(op_data, "%s r%d %d" , tmp_str, &ra, &addr) == 3)
		return (LD << 11) | (ra << 8) | addr;
	}
	if (strcmp(opcode, "st" ) == 0){
		if (sscanf(op_data, "%s r%d %d" , tmp_str, &ra, &addr) == 3)
		return (ST << 11) | (ra << 8) | addr;
	}
	if (strcmp(opcode, "hlt" ) == 0){
		return (HLT << 11);
	}
	if (strcmp(opcode, "nop" ) == 0){
		return 0;
	}
	return -1;
}
int encoder( int ir, char *str)　　　　 // 数値の0.1を文字に直す
{
	char tmp_str[16];
	int 　i;
	tmp_str[15] = '\0';
	for (i = 14; i >= 0; i--){
		if (ir & 1){
			tmp_str[i] = '1' ;
		} else {
			tmp_str[i] = '0' ;
		}
		ir = ir >> 1;
	}
	strcpy(str, tmp_str);
	return 0;
}

「クロスアセンブラ」を実行した結果の一例を以下に示します．

ソースコードの中に誤りがあると，以下のようなメッセージが出力されます．




cnp は誤りです．
これを正しい cmp に修正すると，以下のメッセージが出力されます．

４．　まとめ

以上，このコンテンツで紹介してきたＣＰＵ専用の「クロスアセンブラ」の内容について述べました．

これらの資料が，有効に活用されることを願っています．

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