Kodirajte i testirajte računar na mašinskom jeziku: 6 koraka

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-30 08:06

U ovom Instructable -u ću vam pokazati kako kodirati i testirati računarski program na mašinskom jeziku. Mašinski jezik je maternji jezik računara. Budući da se sastoji od nizova 1s i 0s, ljudi ga ne razumiju lako. Da bismo to zaobišli, prvo kodiramo programe na jeziku visokog nivoa, poput C ++ ili Jave, a zatim ih koristimo posebnim računalnim programima za prevođenje u znakove 1 i 0 koji računari razumiju. Učenje kodiranja na jeziku visokog nivoa zasigurno je jednostavno, ali kratak uvod u mašinski jezik može pružiti vrijedan uvid u to kako računari rade i povećati uvažavanje ove veoma važne tehnologije.

Da bismo kodirali i testirali program za mašinski jezik, potreban nam je pristup računaru bez napora čiji se mašinski jezik lako razume. Personalni računari su previše složeni da bi se o njima moglo razmišljati. Rješenje je korištenje Logisima, logičkog simulatora, koji radi na osobnom računaru. Pomoću Logisima možemo simulirati računar koji zadovoljava naše potrebe. Gornji video daje vam neku ideju šta možemo postići s Logisimom.

Za dizajn računara, prilagodio sam jednu iz svoje e -knjige Kindle Build Your Own Computer - From Scratch. Počeo sam s tamo opisanim računarom BYOC i skratio ga na različite osnovne BYOC-I (I za Instructable) koje ćemo koristiti u ovom Instructable.

Mašinski jezik BYOC-I je jednostavan i lak za razumevanje. Neće vam trebati nikakvo posebno znanje o računarima ili programiranju. Sve što je potrebno je znatiželjan um i želja za učenjem

Dalje čitanje

Možda se pitate zašto koristimo "stroj" za opisivanje računara ako to nije mehanički uređaj. Razlog je historijski; prvi računarski uređaji bili su mehanički sastavljeni od zupčanika i kotača. Tekst Allana Shermana, "Sve je to bilo u zglobnom režimu …" trajao je tek stoljeće ili dva. Više o ranom računarstvu pročitajte ovdje.

Korak 1: Lista dijelova

Lista dijelova je kratka. Potrebne su samo ove dvije stavke, obje se mogu besplatno preuzeti:

1. "Logisim-win-2.7.1.exe"-Logisim je popularan i jednostavan za korištenje logički simulator. Preuzmite izvršnu datoteku Logisim odavde, a zatim stvorite prečicu na prikladnom mjestu poput radne površine. Dvaput kliknite na ikonu Logisim da biste je pokrenuli. Napomena: Logisim koristi Java Runtime paket koji se nalazi ovdje. Možda će biti zatraženo da ga preuzmete.
2. BYOC-I-Full.cir "-Preuzmite datoteku kola Logisim u nastavku.

Pokrenite Logisim, a zatim kliknite "Otvori datoteku" i učitajte datoteku BYOC-I-Full.cir. Gornja slika prikazuje radno okruženje Logisim. BYOC-I je predstavljen pod-krugom. Vanjski su spojena dva ulaza, Reset i Run, te heksadecimalni prikazi za BYOC-I registre i programsku memoriju.

Programska memorija BYOC-I-a je unaprijed učitana jednostavnim programom koji broji od 1 do 5 u A registru. Da biste izvršili (pokrenuli) program, slijedite ove korake.

Korak 1 - Kliknite na Poke Tool. Kursor bi trebalo da se promeni u "prst" koji pokazuje. Korak 2 - Dvaput gurnite ulaz za resetiranje, jednom promijenivši ga na "1", a zatim ga ponovo promijenite na "0". Ovo resetira BYOC -I za pokretanje programa na adresi 0. Korak 3 - Jednom probadajte ulaz Run da biste ga promijenili na "1". Registar A trebao bi prikazati broj koji se mijenja od 1 do 5, a zatim se ponavljati. Korak 4 - Ako se program ne izvrši, pritisnite control -K i on bi trebao početi.

Ako želite istražiti mogućnosti Logisima, kliknite vezu Pomoć na traci izbornika. Odatle možete istražiti Logisimove "Tutorial", "User Guide" i "Library Reference". Odličan video uvod nalazi se ovdje.

Korak 2: Hijerarhija mašinskog jezika i kodovi

Računalo BYOC-I obavlja zadatke zasnovane na programima napisanim na mašinskom jeziku. BYOC-I programi se, pak, sastoje od instrukcija koje se izvršavaju u dobro definiranom slijedu. Svaka instrukcija je sastavljena od kodova fiksne dužine koji predstavljaju različite operativne komponente BYOC-I. Konačno, ovi kodovi se sastoje od nizova 1s i 0s koji čine mašinski jezik koji BYOC-I zapravo izvršava.

Objašnjenjem, počet ćemo s kodovima i krenuti do programskog nivoa. Zatim ćemo kodirati jednostavan program, učitati ga u memoriju BYOC-I i izvršiti ga.

Kodovi se sastoje od fiksnog broja binarnih (1 i 0) znamenki ili bitova, skraćeno. Na primjer, donja tablica prikazuje sve moguće kodove (ukupno 16) za kôd širine 4 bita. Kôd prikazan uz bok je heksadecimalni (baza 16) i decimalni ekvivalent. Heksadecimalno se koristi za upućivanje na binarne vrijednosti jer je kompaktnije od binarnog i lakše ga je pretvoriti iz binarnog u decimalni. Prefiks "0x" omogućuje vam da znate da je broj koji slijedi heksadecimalni ili "hex" skraćeno.

Binarno - heksadecimalno - decimalno0000 0x0000 00001 0x0001 10010 0x0002 20011 0x0003 30100 0x0004 40101 0x0005 50111 0x0007 71000 0x0008 81001 0x0009 91010 0x000A 101011 0x000B 111100 0x000C 121101 0x000D 0x000D

Širina koda određuje koliko stavki može biti predstavljeno. Kao što je navedeno, gornji 4-bitni širok kod može predstavljati do 16 stavki (0 do 15); to jest, 2 puta 2 uzeto četiri puta ili 2 do 4. snaga jednako je 16. Općenito, broj reprezentativnih stavki 2 je povećan na n -tu stepen. Evo kratkog popisa kapaciteta n-bitnog koda.

n - Broj stavki1 22 43 84 165 326 647 1288 256

Širine računalnog koda BYOC-I odabrane su tako da odgovaraju broju stavki koje će šifra predstaviti. Na primjer, postoje četiri vrste uputa, pa je prikladan 2-bitni širok kod. Ovdje su BYOC-I kodovi s kratkim objašnjenjem svakog od njih.

Kod vrste instrukcije (tt) Postoje četiri vrste instrukcija: (1) MVI - Premjestite trenutnu 8 -bitnu konstantnu vrijednost u memorijski registar. Memorijski registar je uređaj koji sadrži podatke koji se mogu koristiti za proračun, (2) MOV - premještanje podataka iz jednog registra u drugi, (3) RRC - Izvođenje izračunavanja registra u registar i (4) JMP - skok na drugu instrukciju umesto da nastavite na sledećoj instrukciji. Usvojeni kodovi vrsta uputstava BYOC-I su sljedeći:

00 MVI01 MOV10 RRC11 JMP

Registarski kôd (dd i ss) BYOC-I ima četiri 8-bitna registra koji mogu pohraniti vrijednosti od 0 do 255. 2-bitni kôd je dovoljan za označavanje četiri registra:

00 F registar01 E registar10 D registar11 A registar

Proračunski kod (ccc) BYOC-I podržava četiri aritmetičke/logičke operacije. Da bi se omogućilo buduće proširenje na osam izračuna, koristi se 3-bitni kôd:

000 ADD, dodajte dvije 8-bitne vrijednosti u označene registre i pohranite rezultat u jedan od registara 001 SUB, oduzmite dvije 8-bitne vrijednosti u označene registre i pohranite rezultat u jedan od registara 010-011 Rezervirano za buduću upotrebu100 AND, logički I dvije 8-bitne vrijednosti u označene registre i rezultat pohranjuju u jedan od registara101 ILI, logički ILI dvije 8-bitne vrijednosti u označene registre i spremaju rezultat u jedan od registara 110 do 111, Rezervirano za buduću upotrebu

Kôd za skok (j) 1-bitni kôd koji pokazuje da li je skok bezuslovan (j = 1) ili uslovljen rezultatom izračuna koji nije nula (j = 0).

Kôd podataka/adrese (v… v)/(a… a) 8-bitni podaci mogu biti uključeni u određene upute koje predstavljaju vrijednosti od 00000000 do 11111111 ili 0 do 255 decimalnih mjesta. Ovi podaci su široki 8 bita za pohranu u 8-bitnim registrima BYOC-I. S decimalnom aritmetikom ne prikazujemo vodeće nule. Računarskom aritmetikom prikazujemo vodeće nule, ali one ne utječu na vrijednost. 00000101 je numerički isti 101 ili 5 decimalni broj.

Predložene reference

Binarni zapis - https://learn.sparkfun.com/tutorials/binaryHexadecimalni zapis -

Dalje čitanje

Ideja o korištenju kodova za pokretanje procesa datira odavno. Jedan fascinantan primjer je Jacquard Loom. Automatskim razbojem upravljao je lanac drvenih karata u kojima su izbušene rupe koje predstavljaju kodove za različitu boju pređe za tkanje. Svoju prvu sam vidio u Škotskoj gdje su je koristili za izradu šarenih tartana. Ovdje pročitajte više o Žakardom.

Korak 3: Anatomija BYOC-I uputstava

S obzirom na BYOC-I kodove, prelazimo na sljedeći nivo, upute. Da bismo stvorili instrukciju za BYOC-I, postavljamo kodove zajedno u određenom redoslijedu i na određena mjesta unutar instrukcije. Ne pojavljuju se svi kodovi u svim uputama, ali kada se pojave, zauzimaju određenu lokaciju.

Vrsta instrukcije MVI zahtijeva najviše bitova, ukupno 12. Pravljenjem riječi instrukcije dužine 12 bita prilagođavamo sve upute. Neiskorišteni (tzv. "Briga") bitovi dobivaju vrijednost 0. Ovdje je BYOC-I skup uputa.

1. Premjesti odmah (MVI) - 00 dd vvvvvvvv Funkcija: Premjestite 8 -bitnu vrijednost podataka V = vvvvvvvv u odredišni registar dd. Nakon izvršenja, registar dd će imati vrijednost vvvvvvvv. Skraćenica: MVI R, V gdje je R A, D, E ili F. Primjer: 00 10 00000101 - MVI D, 5 - Pomaknite vrijednost 5 u D registar.
2. Premjesti registar u registar (MOV) - 01 dd ss 000000Funkcija: Premještanje podataka iz izvornog registra ss u registar odredišta dd. Nakon izvršenja, oba registra imaju istu vrijednost kao izvorni registar. Kratica: MOV Rd, Rs gdje je Rd odredišni registar A, D, E ili F, a Rs izvorni registar A, D, E ili F. Primjer: 01 11 01 000000 - MOV A, E - Pomaknite vrijednost u registru E za upis A.
3. Registrirajte se za izračunavanje izračuna (RRC) - 10 dd ss ccc 000 Funkcija: Izvršite naznačeni proračun ccc koristeći izvorni registar ss i odredišni registar dd, a zatim pohranite rezultat u odredišni registar. Skraćenice: ADD Rd, Rs (ccc = 000 Rd + Rs pohranjene u Rd); SUB Rd, Rs (ccc = 001 Rd - Rs pohranjeno u Rd); AND Rd, Rs (ccc = 100 Rd I Rs pohranjeni u Rd); ILI Rd, Rs (ccc = 101 Rd ILI Rs pohranjeno u Rd). Primjer: 10 00 11 001 000 - SUB F, A - Oduzmite vrijednost u registru A iz registra F s rezultatom u registru F.
4. Skoči na različita uputstva (JMP) - 11 j 0 aaaaaaaa Funkcija: Promijenite izvršavanje na drugu instrukciju koja se nalazi na adresi aaaa aaaa (a) Bezuvjetno (j = 1) -11 1 0 aaaaaaaaSkraćenica: JMP L gdje je L adresa aaaa aaaa Primjer: 11 1 0 00001000 - JMP 8 - Promijeni izvršenje na adresu 8. (b) Uslovno (j = 0) ako je prethodni proračun rezultirao rezultatom koji nije nula - 11 0 0 aaaaaaaaSkraćenica: JNZ L gdje je L adresa aaaa aaaa. Primjer: 11 0 0 00000100 JNZ 4 Ako je posljednji izračun dao vrijednost različitu od nule, promijenite izvršenje na adresu 4.

Bitovi riječi s uputama numerirani su lijevo (najznačajniji bit MSB) nadesno (najmanji bit LSB) od 11 do 0. Fiksni redoslijed i lokacije kodova su sljedeći:

Bitovi-Kod11-10 Tip instrukcije9-8 Registar odredišta7-6 Registar izvora5-3 Izračun: 000-dodaj; 001 - oduzeti; 100 - logičko I; 101 - logičko OR7-0 Konstantna vrijednost v… v i a… a (0 do 255)

Skup instrukcija sažet je na gornjoj slici. Obratite pažnju na strukturiran i uredan izgled kodova u svakoj instrukciji. Rezultat je jednostavniji dizajn za BYOC-I i čini upute ljudima razumljivijima.

Korak 4: Kodiranje računarskih uputstava

Prije nego prijeđemo na programski nivo, konstruirajmo neke primjere uputstava koristeći gornji skup instrukcija BYOC-I.

1. Premjestite vrijednost 1 u registar A. Registri BYOC-I mogu pohraniti vrijednosti od 0 do 255. U ovom slučaju, registar A će imati vrijednost 1 (00000001 binarno) nakon izvršenja instrukcije.

Skraćenica: MVI A, 1 Potrebni kodovi: Tip MVI - 00; Odredišni registar A - 11; Vrijednost - 00000001 Riječ upute: 00 11 00000001

2. Premjestite sadržaj registra A u registar D. Nakon izvršavanja, oba registra će imati vrijednost izvorno u registru A.

Kratica: MOV D, A (Upamtite, odredište je prvo, a izvor drugi na popisu) Potrebni kodovi: Tip MOV - 01; Odredišni registar D - 10; Izvorni registar A - 11 Riječ upute: 01 10 11 000000

3. Dodajte sadržaj registra D registru A i pohranite ga u registar A. Nakon izvršavanja, vrijednost registra A bit će zbir izvorne vrijednosti registra A i registra D.

Kratica: ADD A, D (Rezultat je pohranjen u registru odredišta) Potrebni kodovi: Tip RRC - 10; Odredišni registar A - 11; Izvor registar D - 10; Izračun Dodaj - 000 Riječ upute: 10 11 10 000 000 (ccc je prvi 000 - dodaj)

4. Skočite sa nule na adresu 3. Ako rezultat posljednjeg izračuna nije bio nula, izvršavanje će se promijeniti u instrukciju na datoj adresi. Ako je nula, izvršavanje se nastavlja prema sljedećoj instrukciji.

Skraćenica: JNZ 3 Potrebni kodovi: Tip JMP - 11; Vrsta skoka - 0; Adresa - 00000003 Riječ upute: 11 0 0 00000003 (Vrsta skoka je prva 0)

5. Bezuslovno skočite na adresu 0. Nakon izvršenja, izvršavanje se mijenja u instrukciju na datoj adresi.

Kratica: JMP 0Kod potreban: Tip JMP - 11; Tip skoka - 1; Adresa - 00000000Uputstvo za upotrebu; 11 1 0 00000000

Iako je strojno kodiranje pomalo dosadno, možete vidjeti da to nije nemoguće. Da ste stvarno strojno kodirali, upotrijebili biste računarski program nazvan asembler za prevođenje iz skraćenice (koja se naziva sklopni kod) u strojni kod.

Korak 5: Anatomija računarskog programa

Računarski program je lista instrukcija koje računar izvršava počevši od početka liste nastavljajući se niz listu do kraja. Upute poput JNZ -a i JMP -a mogu promijeniti sljedeću naredbu. Svaka instrukcija na listi zauzima jednu adresu u memoriji računara počevši od 0. BYOC-I memorija može sadržati listu od 256 instrukcija, što je više nego dovoljno za naše potrebe.

Računarski programi su dizajnirani za izvršavanje datog zadatka. Za naš program odabrat ćemo jednostavan zadatak, računajući od 1 do 5. Očigledno, ne postoji instrukcija "prebrojavanje", pa je prvi korak razbiti zadatak na korake kojima se mogu baviti vrlo BYOC-I ograničen skup instrukcija.

Korak 1 Pomaknite 1 za registraciju AStep 2 Premjestite registar A za registraciju DStep 3 Dodajte registar D za registraciju A i pohranite rezultat u registar AStep 4 Premjestite 5 za registraciju EStep 5 Oduzmite registar A iz registra E i pohranite rezultat u registar EStep 6 Ako rezultat oduzimanja nije bio nula, vratite se na korak 4 i nastavite brojanje Korak 7 Ako je rezultat oduzimanja bio nula, vratite se i počnite ispočetka

Sljedeći korak je prevođenje ovih koraka u BYOC-I upute. BYOC-I programi počinju na adresi 0 i broju uzastopno. Ciljne adrese za skok dodaju se posljednje nakon što su postavljena sva uputstva.

Adresa: Uputstvo - Kratica; Opis 0: 00 11 00000001 - MVI A, 1; Pomaknite 1 za registraciju A1: 01 10 11 000000 - MOV D, A; Pomaknite registar A za registraciju D2: 10 11 10 000 000 - ADD A, D; Dodajte registar D u registar A i pohranite rezultat u registar A3: 00 01 00 00000101 - MVI E, 5; Pomaknite 5 registar E4: 10 01 11 001 000 - SUB E, A; Oduzmite registar A iz registra E i pohranite rezultat u registru E5: 11 0 0 00000010 - JNZ 2; Ako rezultat oduzimanja nije bio nula, vratite se na adresu 3 i nastavite brojati 6: 11 1 0 00000000 - JMP 0; Ako je rezultat oduzimanja bio nula, vratite se i počnite ispočetka

Prije prijenosa programa u memoriju, kôd binarne upute mora se promijeniti u heksadecimalni za upotrebu s Logisim Hex Editor -om. Prvo podijelite instrukciju u tri grupe po 4 bita. Zatim prevedite grupe u heksadecimalnu pomoću tablice u koraku 2. Koristit će se samo posljednje tri heksadecimalne znamenke (podebljano ispod).

Adresa - Uputstvo binarno - Uputstvo binarno Split - Uputstvo (šesterokutno) 0 001100000001 0011 0000 0001 - 0x03011 011011000000 0110 1100 0000 - 0x06C02 101110000000 1011 1000 0000 - 0x0B803 000100000101 0001 0000 0101 - 0x01054 100118500000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000 111000000010 1110 0000 0000 - 0x0E00

Vrijeme je za prijenos programa u memoriju BYOC-I radi testiranja.

Korak 6: Prijenos programa u memoriju i testiranje

Gledajući "glavno" kolo Logisima, prikazani blok BYOC-I simbol je stvarnog računarskog kola sa oznakom "BYOC-I" u oknu Explorer. Za unos programa u BYOC-I memoriju:

1. Desnom tipkom miša kliknite BYOC-I blok (koji se naziva "podvezica") i odaberite (zadržite pokazivač miša i kliknite lijevo) "Prikaz BYOC-I".
2. U radnom području pojavit će se BYOC-I kolo. Desnim klikom na simbol "Memorija programa" odaberite "Edit Contents..".
3. Pomoću Logisim Hex Editor -a unesite heksadecimalni kôd (samo podebljano) kao što je prikazano gore.

Sada ste spremni za izvršavanje programa. Vratite se na glavni krug dvostrukim klikom na "BYOC-I" u oknu Explorer. Ulazi Run i Reset trebaju biti "0" za početak. Koristeći Poke Tool, prvo promijenite Reset na "1", a zatim se vratite na "0". Ovo čini početnu adresu 0x0000 i priprema BYOC-I kolo za izvođenje. Sada postavite ulaz Run na "1" i program će se izvršiti. (Napomena: Morate dodirnuti Control-K jednom da biste pokrenuli Logisim sat. Ovo je funkcija koja vam omogućava da zaustavite Logisim sat i prođete kroz program dodirom na Control-T. Pokušajte jednom!)

Logisim sat je podesiv za širok raspon frekvencija. Prilikom preuzimanja iznosi 8 Hz (8 ciklusa u sekundi). Način na koji je računalo BYOC-I dizajnirano, svakoj instrukciji su potrebna četiri ciklusa takta da se završi. Dakle, da biste izračunali BYOC-I brzinu, podijelite taktnu frekvenciju sa 4. Na 8 Hz, njegova brzina je 2 instrukcije u sekundi. Sat možete promijeniti klikom na "Simuliraj" na alatnoj traci i odabirom "Učestalost označavanja". Mogući raspon je od 0,25 Hz do 4100 Hz. Izabrana je spora brzina pri 8 Hz kako biste mogli gledati brojanje u A registru.

Maksimalna brzina simulacije BYOC-I (~ 1000 instrukcija u sekundi) je veoma spora u poređenju sa modernim računarima. Hardverska verzija računara BYOC opisana u mojoj knjizi izvršava se sa više od 12 miliona instrukcija u sekundi!

Nadam se da je ovaj Instructable demistifikovao programiranje na mašinskom jeziku i dao vam uvid u to kako računari rade na njihovom najosnovnijem nivou. Da biste stekli razumijevanje, pokušajte kodirati dva programa u nastavku.

1. Napišite program koji počinje na 5 i odbrojava do 0. (ANS. Broj od 5 do 0.txt ispod)
2. Počevši od 2, brojite do 3 dok broj ne pređe 7. Možete napraviti malo mentalne aritmetike, provjeriti 8 znajući da će tamo pasti, a zatim ponovo pokrenite. Napišite svoj program na općenitiji način koji zaista provjerava da li broj "prelazi" određeni broj. Savjet: Istražite što se događa kada oduzimanje daje negativnu vrijednost, na primjer 8 - 9 = -1. Zatim eksperimentirajte s logičkim AND da biste provjerili je li MSB u 8-bitnom broju "1". (ANS. ExceedsCount.txt)

Možete li se sjetiti drugih izazovnih problema za računalo BYOC-I? S obzirom na njegova ograničenja, što još može učiniti? Podijelite svoja iskustva sa mnom na [email protected]. Ako ste zainteresirani za kodiranje mikroprocesora, posjetite moju web stranicu www.whippleway.com. Tamo prenosim mašinsko kodiranje na savremene procesore poput ATMEL Mega serije koja se koristi u Arduinosu.