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計算機の基本原理を味わおう18 - 計算機の原理とコンパイラの原理

 この記事は、計算機の基本原理を味わおう17 - セグメントアドレス方式の続きです。前回は、セグメントアドレス方式について解説しました。今回は、計算機の原理から導き出される、コンパイラの原理について解説します。
 使用できるメモリ容量も増え、かなり複雑なアルゴリズムも実装できるようになりました。ここで一つの問題が浮上してきます。それは、アセンブラプログラミングは生産性が低いという点です。1桁の値をインクリメントするだけで、9個のcmovが必要となります。誰しも簡単に指定できる方法が欲しくなります。
 方法を探るために、not命令とinc命令をよく観察してみましょう。そうすると、一定のパターンがあることに気付くと思います。そのパターンとは、比較フラグ更新後に真偽のコードブロックがあり、真のコードブック内にジャンプがある事です。この構造どこかで見たことがありませんか?そうです。C#のif文と同じ構造です。

//比較部分
cmov 2, 3 //手順0:実行フラグの場所に対象データを移動
cmov 0, 96 //手順1:手順6へジャンプ

//比較結果が真の場合実行する部分
cmov 2, 1 //手順2:比較フラグを真に設定
cmov 3, 1 //手順3:対象を1に設定
cmov 4, 0 //手順4:桁上がりフラグを0に設定
cmov 0, 128 //手順5:手順8へジャンプ

//偽の場合に実行するプログラム
cmov 3, 0 //手順6:対象を0に設定
cmov 4, 1 //手順7:桁上がりフラグを1に設定

//終了
cmov 1, 0 //手順8:プログラムの終了。

//C#で考えると・・・
if ( 比較部分 ) {
 真のコードブロック
} else {
 //偽のコードブロック
}
//ここで終了

 ここまでわかれば話は簡単です。if文に相当するオブジェクトを実装し、それを使用することにより問題は解決します。

using System;
using System.Collections.Generic;

namespace MiniBitMachine.V3
{
    //if文を表わすオブジェクト。
    internal class If
    {
        //CPUに関する情報。
        Cpu _cpu;

        //コメントが整形済みか否か。
        private bool _commentFlag;

        //各コードブロック。
        private List<CompareMove> _compareCodes;
        private List<CompareMove> _trueCodes;
        private List<CompareMove> _falseCodes;

        //命令を構成するcmov群。
        private List<CompareMove> _allCode;
        private IEnumerable<CompareMove> Cmovs
        {
            get { return this._allCode; }
        }

        //CPU情報、比較部分、true節、false節の各コード群を指定し、
        //インスタンスを生成する。
        public If(
            Cpu cpu, 
            IEnumerable<CompareMove> compareCodes,
            IEnumerable<CompareMove> trueCodes,
            IEnumerable<CompareMove> falseCodes )
        {
            this._cpu = cpu;
            this._compareCodes = new List<CompareMove>();
            this._compareCodes.AddRange( compareCodes );
            this._trueCodes = new List<CompareMove>();
            this._trueCodes.AddRange( trueCodes );
            this._falseCodes = new List<CompareMove>();
            this._falseCodes.AddRange( falseCodes );
            this._commentFlag = false;
            this.CreateInstruction();
        }

        //命令を付け加えてif構造の命令にする。
        private void CreateInstruction()
        {
            ExecuteEnvironment info = Cpu.GetEnvironment();
            int trueCount = this._compareCodes.Count + 
                this._trueCodes.Count + 3;
            byte falseJump = ( byte ) ( 
                CompareMove.Length * trueCount );
            this._compareCodes.Add(
                new CompareMove( 
                    info.ProgramCounterAddress,
                    falseJump,
                    String.Format( "手順{0}へジャンプ", trueCount ) ) );
            this._trueCodes.Insert(
                0,
                new CompareMove( 
                    info.CompareFlagAddress,
                    info.OneAddress,
                    "比較フラグを真に設定") );
           int lastCount =  this._compareCodes.Count + 
               this._falseCodes.Count +
               this._trueCodes.Count + 
               1;
            byte lastJump = ( byte ) (
                CompareMove.Length * lastCount );
            this._trueCodes.Add(
                new CompareMove(
                    info.ProgramCounterAddress,
                    lastJump,
                    String.Format( "手順{0}へジャンプ", lastCount ) ) );
            this._allCode = new List<CompareMove>();
            this._allCode.AddRange( this._compareCodes );
            this._allCode.AddRange( this._trueCodes );
            this._allCode.AddRange( this._falseCodes );
            this._allCode.Add( Cpu.GetStopCpuInstruction( false ) );
        }

        //インスタンスの文字列表現を取得する。
        public override string ToString()
        {
            System.Text.StringBuilder result = 
                new System.Text.StringBuilder( );
            if ( this._commentFlag ) {
                foreach ( CompareMove c in this._allCode )
                    result.Append( c );
            } else {
                for ( int i = 0 ; i < this._allCode.Count ; ++i ) {
                    this._allCode[ i ].Comment = String.Concat(
                        String.Format( "手順{0}:", i ),
                        this._allCode[ i ].Comment,
                        Environment.NewLine );
                    result.Append( this._allCode[ i ].ToString() );
                }
                this._commentFlag = true;
            }
            return result.ToString();
        }

        //自身のバイナリ値をメモリにセットする。
        public void SetBinary()
        {
            ushort index = this._cpu.Addresser.GetCodeAddress( 0 );
            foreach ( CompareMove cmov in this._allCode )
                cmov.SetBinary(
                    this._cpu.ReferenceMemory,
                    ref index );
        }
    }
}
using System;
using System.Collections.Generic;

namespace MiniBitMachine.V3
{
    //CPU( Central Processing Unit )。
    public class Cpu
    {
        //関係のメンバーは省略
        
        //CPUを停止させる命令を取得する。
        public static CompareMove GetStopCpuInstruction( bool value )
        {
            ExecuteEnvironment info = Cpu.GetEnvironment( );
            byte address = value ? info.OneAddress : info.ZeroAddress;
            CompareMove result = new CompareMove(
                info.LastAddress,
                address,
                "プログラムの終了。" );
            return result;
        }
    }
}

比較を表わすコードブロックに、偽のコードブロックへのジャンプ。真のコードブロックに終了視点までのジャンプと、そのプログラムを実行するために比較フラグを真にする命令。最後に終了を表わすプログラムの合計4つのcmovを追加する事だけわかっていれば、後は簡単だと思います。なお、終了命令は定型句なので、CPUオブジェクトに生成用のメソッドを実装しました。
 ifオブジェクトを使用すると、inc命令もnot命令も実装が簡単になります。

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Text;

namespace MiniBitMachine.V3
{
    //not(インクリメント)命令
    public class Inc
    {
        //関係のないメンバーは省略。
        
        //not命令を構成するcmov群。
        private If _cmovs;

        //対象のアドレス、桁上がりフラグのアドレス、
        //CPUの情報、を元に、インスタンスを生成する。
        public Inc( 
            byte targetAddress, 
            byte carryFlagAddress, 
            Cpu cpu )
        {
            this._targetAddress = targetAddress;
            this._carryFlagAddress = carryFlagAddress;
            this._cpu = cpu;
            this._cmovs = this.CreateInstruction(
                targetAddress, 
                carryFlagAddress, 
                cpu );
        }

        //not命令を生成する。
        private If CreateInstruction(
            byte targetAddress, 
            byte carryFlagAddress, 
            Cpu cpu )
        {
            ExecuteEnvironment info = Cpu.GetEnvironment( );
            CompareMove[ ] compareCodes = GetCompareCodes( 
                info, targetAddress );
            CompareMove[ ] trueCodes = GetTrueCodes( 
                info, targetAddress, carryFlagAddress );
            CompareMove[ ] falseCodes = GetFalseCodes(
                info, targetAddress, carryFlagAddress );
            If result = new If(
                cpu, 
                compareCodes,
                trueCodes,
                falseCodes );
            return result;
        }

        //比較フラグ設定に関するコードを取得する。
        private static CompareMove[ ] GetCompareCodes( 
            ExecuteEnvironment info, 
            byte targetAddress )
        {
            CompareMove[ ] result = new CompareMove[ 1 ];
            result[ 0 ] = new CompareMove(
                info.CompareFlagAddress,
                targetAddress,
                "実行フラグの場所に対象データを移動" );
            return result;
        }

        //比較対象が真の場合に実行するコードを取得する。
        private CompareMove[ ] GetTrueCodes(
            ExecuteEnvironment info,
            byte targetAddress, 
            byte carryFlagAddress)
        {
            CompareMove[] result = new CompareMove[ 2 ];
            result[ 0 ] = new CompareMove(
                targetAddress,
                info.OneAddress,
                "対象を1に設定" );
            result[ 1 ] = new CompareMove(
                carryFlagAddress,
                info.ZeroAddress,
                "桁上がりフラグを0に設定" );
            return result;
        }

        //比較対象が偽の場合に実行するコードを取得する。
        private CompareMove[ ] GetFalseCodes(
            ExecuteEnvironment info,
            byte targetAddress,
            byte carryFlagAddress )
        {
            CompareMove[ ] result = new CompareMove[ 2 ];
            result[ 0 ] = new CompareMove(
                targetAddress,
                info.ZeroAddress,
                "対象を0に設定" );
            result[ 1 ] = new CompareMove(
                carryFlagAddress,
                info.OneAddress,
                "桁上がりフラグを1に設定" );
            return result;
        }

        //not命令の文字列表現を取得する。
        public override string ToString()
        {
            return this._cmovs.ToString( );
        }

        //自身のバイナリ値をメモリにセットする。
        public void SetBinary()
        {
            this._cmovs.SetBinary();
        }
    }
}

これで、煩わしいジャンプ命令とはおさらばです。行うべき処理に意識を集中させることが可能となります。
 今回はこれでお終いです。今回の記事でコンパイラの発想がわかったと思います。計算機の原理を知っていると、コンパイラの考え方もわかって便利です。もちろん、コンパイラだけではなくて、OSもデータベースもネットワークもわかるようになります。続く...
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Author:インドリ
みなさん、はじめまして、
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ボクは、無限の夢(infinity dream)を持つネタ好きな虹色の鳥インドリ(in dre)です。
色々な情報処理技術を啄ばむから楽しみにしてね。

http://twitter.com/indori
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