PJ2-CPU-assembler

プロジェクト実習2の教育用CPUに対応したアセンブラ

開発の動機

プロジェクト実習2のテーマ「CPU」では，単純な8ビットコンピュータを搭載した教育用CPUボードの命令実行機能をシミュレートするプログラムを開発する．

開発したプログラムの正当性を示すためには，実装した命令機能に応じてテストプログラムを用意しなければならない．実習テキストには，各命令と命令語コード(16進数の羅列)との対応が表形式で与えられているため，アセンブリ言語で書いたプログラムをハンドアセンブルできる．

しかし，「表を参照して命令語コードへと翻訳する」という決まり切った作業は本来機械にやらせるべきである．本テーマの実習期間中にアセンブラを開発する余裕を確保できなかった私はハンドアセンブルする他なく，自分の信条とは反する行動を取らなければならないことに，如何ともしがたい違和感を覚えた．

当時のやるせない気持ちを晴らしたいという思いが，アセンブラの開発に乗り出した最も大きな動機である．

私は本実習を終えてしまったため，この成果物が自身に寄与することはないが，ハンドアセンブルの自動化を望む後輩の役に立てるのであれば，これに勝る喜びはない．

動作

実行環境

このアセンブラはRustで書かれているため，Rustの実行環境がないと動作しない．

Rustのプログラムをコンパイルしてバイナリを生成するためには以下のソフトウェアが必要となる．

1. Rustツールチェイン

• Rustで書かれたソースコードをコンパイルするために使われるプログラミングツールの総称．
  以下のもので構成されている．

  • rustcコマンド: Rustコンパイラ
  • cargoコマンド: Rustのビルドマネージャ兼パッケージマネージャ
  • std: Rustの標準ライブラリ

• Rustプロジェクトが公式にサポートしているコマンドラインツールrustupでインストールできる．
  rustupには以下のような機能がある．

  • Rustツールチェインの複数バージョンのインストールと管理
  • クロスコンパイル用ターゲットのインストール
  • RLS(Rust Language Server)などの開発支援ツールのインストール

2. ターゲット環境向けのリンカ
   • Linux: gcc, binutilsパッケージ
   • MacOS: Xcodeのコマンドライン・デベロッパツール
   • Windows: Microsoft Visual C++ビルドツール

実行方法

1. 変換したいアセンブリプログラムを用意する．
2. main.rsのparse()関数の第1引数に，上記ファイルへのパスを文字列で与える．
3. main.rsのassemble()関数の第1引数に，出力ファイルへのパスを文字列で与える．
4. cargo runを叩いて実行．

2.3.で入出力ファイルへのパスを相対パスで与える際は，4.でcargo runを叩く位置からの相対パスを記述する．

実行例

実習テキスト図3に示されているサンプルプログラムをアセンブルした結果を例として示す．

• アセンブリ

START:  ST  ACC,(03H)
        EOR ACC,ACC
LOOP:   ADD ACC,(03H)
        SUB IX,1
        BNZ LOOP
        HLT
        END

• 命令語

75  03
C0
B5  03
AA  01
31  03
0F

開発の方針

アセンブラの開発は次の2段階の手順で行った．

1. 記号アドレスを含まないプログラムを変換するアセンブラを書く．
2. 記号アドレスを扱えるように先のアセンブラを拡張する．

アセンブリプログラムでは，記号アドレスと呼ばれるラベルを用いることができる．これは分岐命令の分岐先として，実際のアドレスの代わりに指定することができる．記号アドレスは，それが定義される前であっても用いることができるため，プログラムを前から逐次的にアセンブルしていく方法ではうまくいかない．未知のラベルに遭遇したとき，それを実際のアドレスに変換する術がないからである．そこで，一度プログラムを読み切り，ラベルと実際のアドレスの対応表(以下，記号表と呼ぶ)を作成してから，アセンブルを開始するという方針をとった．

仕様

アセンブリ言語

実習テキスト表1の形式に則ったアセンブリ言語を変換の対象とする．ただし，ST命令の第2オペランドには絶対アドレスかインデックス修飾アドレスしか許されていないが，これに対するエラーチェックは行わない．

命令語コード

実習テキスト表5に示された命令語コードに変換する．

実装

アセンブラは以下のモジュールで構成されている．

instructionモジュール

• 独自に定義した型とそれに実装したメソッドの定義が書いてある．

parserモジュール

• アセンブリプログラムを読みながら各命令を独自のInstruction構造体へと変換し，ベクタへと格納する．
• ラベルが定義されていると，アドレスとの対応を記号表に登録する．

codeモジュール

• parserモジュールが返すベクタを走査して，各命令を命令語コードへと変換する．

参考文献

• keen，河野達也，小松礼人．実践Rust入門．初版第2刷．技術評論社，2020年，551p．