計算機の基本原理を味わおう29 - 命令形式を見直しモジュール化に備える

　この記事は、「計算機の基本原理を味わおう28　－　モジュールの発想源を知ろう」の続きです。前回は、モジュール化の考え方について解説しました。今回は、モジュール化を実現するべくやるべきことを解説します。
　現在、最小計算機にコードセグメントを変更する術がありません。では、どうすればいいのでしょうか？答えは「命令で対応する」です。CPUは命令に従って動作するものですから、命令で対応するのが自然の流れです。ただし、命令といっても、新命令は必要ありません。最小計算機には比較移動命令しかありませんが、それだけで十分です。命令を増やすと、最小の名に反しますので、比較移動命令の形式を検討し直すことにします。
　比較移動命令は、特別な数値を用意することにより、影響を与える対象を特定していました。同様に、コードセグメントにも特別な数値を対応付けします。コードセグメントの数値を決めるにあたって、仕様を簡潔にするために、他の数値についても対応付けをやり直します。
　特別な数値と対応されているものは、定数の0、定数の1、CPU停止の指示、比較フラグ、プログラムカウンタ、コードセグメントです。各対象と数値の対応を書きます。

・定数の0：0
・定数の1：1
・終了フラグ：255
・比較フラグ：254
・プログラムカウンタ：253
・コードセグメント：252

定数以外は255から数値割り振りをしている理由は、今後増える可能性があり、2とか3とかの小さな数値を指定できるように維持したいからです。もし、2、3、4、・・・という具合に数値を対応付けすると、よく使う小さな数値が使用できなくなります。255から割り振ることにしました。
　対応付けを変えると、3つのオブジェクトを変更しなくてはなりません。とはいえ、あまり大きな変更ではありません。ちょっと修正するだけです。

public class Cpu
{
    //実行環境に関する情報を取得する。
    public static ExecuteEnvironment GetEnvironment( )
    {
        ExecuteEnvironment result =
                new ExecuteEnvironment() {
                    ZeroAddress = 0,
                    OneAddress = 1,
                    LastAddress = 255,
                    CompareFlagAddress = 254,
                    ProgramCounterAddress = 253,
                    CodeSegmentAddress = 252
                };
        return result;
    }
}

//命令を解析するオブジェクト。
public class Decoder
{
    //命令をデコードする。
    public CompareMove Decode( IEnumerable<bool> binary )
    {
        CompareMove result = new CompareMove( binary );
        bool imFlag = false;
        result.Destination = this.GetOperand(
            result.Destination, ref result, true, ref imFlag );
        result.Source = this.GetOperand(
            result.Source, ref result, false, ref imFlag );
        return result;
    }

    //オペランドを取得する。
    private IOperand GetOperand(
        IOperand ope,
        ref CompareMove target,
        bool setFlag,
        ref bool isImmediate )
    {
        IOperand result = ope;
        if ( isImmediate ) {
            return ope;
        }
        if ( ope.Value ==
            this._exeInfo.ZeroAddress ) {
            result = new Immediate( 0 );
        } else if ( ope.Value ==
            this._exeInfo.OneAddress ) {
            result = new Immediate( 1 );
        } else if ( ope.Value ==
            this._exeInfo.LastAddress ) {
            result = this._exeInfo.IsStop;
        } else if ( ope.Value ==
            this._exeInfo.CompareFlagAddress ) {
            result = this._exeInfo.CompareFlag;
            target.CompareFlag = true;
            return result;
        } else if ( ope.Value ==
            this._exeInfo.ProgramCounterAddress ) {
            result = this._addresser.ProgramCounter;
            isImmediate = true;
        } else if ( ope.Value ==
            this._exeInfo.CodeSegmentAddress ) {
            result = this._addresser.CodeSegment;
            isImmediate = true;
        } else {
            var ms = new MemorySnapShot(
                this._addresser,
                this._exeInfo.ReferenceMemory,
                ope.Value );
            result = ms;
        }
        if ( setFlag ) {
            target.CompareFlag =
                this._exeInfo.GetCompareFlag();
        }
        return result;
    }
}

修正部分だけ掲載しました。オペランドを設定する部分は、ついでにリファクタリングしました。このプログラムを参考に、貴方のプログラムを修正してください。
　プログラムを修正したらテストです。正しく動作するかテストしましょう。

class Sample
{
    static void Main()
    {
        ExecuteEnvironment ex = Cpu.GetEnvironment();
        ProgramCounterUpdateTest( ex );
        CodeSegmentUpdateTest( ex );
        CpuStopTest( ex );
        Console.WriteLine( "テスト終了" );
        Console.ReadLine();
    }

    //テストを実行。
    static Cpu Execute( ExecuteEnvironment ex,
        CompareMove target )
    {
        //CPUを用意
        Cpu cpu = new Cpu( 0, 1, new Memory() );

        //次の命令を実行すための準備用命令
        var flagSet = new CompareMove();
        flagSet.Destination =
            new Immediate( ex.CompareFlagAddress );
        flagSet.Source =
            new Immediate( ex.OneAddress );

        //メモリにこれから実行する命令を書きこむ
        var opes = new CompareMove[ ] { 
            flagSet, target };
        cpu.CodeWrite( opes );

        //命令を実行
        cpu.Run();
        cpu.Run();

        return cpu;
    }

    //プログラムカウンタを更新できるかテスト。
    static void ProgramCounterUpdateTest( 
        ExecuteEnvironment ex )
    {
        //プログラムカウンタ更新命令
        byte value = 10;
        var target = new CompareMove();
        target.Destination = 
            new Immediate( ex.ProgramCounterAddress );
        target.Source = 
            new Immediate( value);

        //実行＆結果チェック
        Cpu cpu = Execute( ex, target );
        if ( cpu.Addresser.ProgramCounter.Value != value ) {
            Console.WriteLine( "テスト失敗！：PCの値{0}", 
                cpu.Addresser.ProgramCounter.Value );
        }
    }

    //コードセグメントを更新できるかテスト。
    static void CodeSegmentUpdateTest( 
        ExecuteEnvironment ex)
    {
        //コードセグメント更新命令
        byte value = 12;
        var target = new CompareMove();
        target.Destination = 
            new Immediate( ex.CodeSegmentAddress );
        target.Source = 
            new Immediate( value );

        //実行＆結果チェック
        Cpu cpu = Execute( ex, target );
        if ( cpu.Addresser.CodeSegment.Value != value ) {
            Console.WriteLine( "テスト失敗！：CSの値{0}",
                cpu.Addresser.CodeSegment.Value );
        }
    }

    //CPUをストップできるかテスト。
    static void CpuStopTest(
        ExecuteEnvironment ex )
    {
        //CPU停止命令
        var target = new CompareMove();
        target.Destination =
            new Immediate( ex.LastAddress );
        target.Source =
            new Immediate( ex.OneAddress );

        //実行＆結果チェック
        Cpu cpu = Execute( ex, target );
        if ( !cpu.IsStop ) {
            Console.WriteLine( 
                "テスト失敗！CPUが止まりません・・・" );
        }
    }
}

このテストをパスすればひとまずOKです。これでモジュールが作れる！といいたいところですが、まだ足りない要素があります。それは何でしょうか？次回を読むまでに考えてみてください。続く...