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計算機の基本原理を味わおう34 - カラスが鳴いたら帰りましょう♪

 この記事は、計算機の基本原理を味わおう33 - 帰るべきところはどこか?の続きです。前回は、サブルーチンの仕組みについて解説を始めました。今回も引き続き、サブルーチンの実現方法を解説します。
 戻る場所がわからないのが問題ならば、決めてしまえばいい。それが計算機でよくある仕様です。サブルーチンの戻る場所についても、計算機の使用として予め場所を決めておく方法が一番簡単です。その場所は2つ考えられます。メモリの特定領域とレジスタです。今回はメモリ領域を予約する方式で行うことにします。
 メモリのどこにするのかは「どこでもいい」のですが、最小計算機の使用は、データセグメント0にしておきます。それが決まれば後は簡単。アドレスを管理するオブジェクトに、ロード命令とセーブ命令を追加します。

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using MiniBitMachine.Utility;

//アドレスを管理するオブジェクト。
internal class Addresser
{
    //関係のないプログラムは省略・・・

    //プログラムカウンタとコードセグメントの値を保存する。
    private void SaveAddress( )
    {
        ushort address = 0;
        var pc = BinaryUtility.ConvertBinaryWithZero(
            ( byte ) ( this._pc.Value + 1 ) );
        var cs = BinaryUtility.ConvertBinaryWithZero(
            ( byte ) this._cs.Value );
        List<bool> binary = new List<bool>();
        binary.AddRange( pc );
        binary.AddRange( cs );
        this._cpu.ReferenceMemory.Write(
            address, binary );
    }

    //保存したプログラムカウンタとコードセグメントの値を復元する。
    internal void LoadAddress( )
    {
        //値を読み出す
        ushort address = 0;
        List<bool> pcbinary = new List<bool>();
        Memory m = this._cpu.ReferenceMemory;
        pcbinary.AddRange( m.Read( address, 8 ) );
        byte pc = BitMaster.ConvertToByte( pcbinary );
        List<bool> csbinary = new List<bool>();
        csbinary.AddRange( m.Read(
            ( ushort ) ( address + 8 ), 8 ) );
        byte cs = BitMaster.ConvertToByte( csbinary );
        //イベントをいったん無効化して値を復元
        this._cs.ValueChangeedEvent 
            -= CsValueChangeedEvent;
        this._cs.Value = cs;
        this._pc.Value = pc;
        this._cs.ValueChangeedEvent 
            += CsValueChangeedEvent;
    }
}

後はいつこれらの命令を呼び出すか決めるだけです。しかも、自ずと決まってきます。サーブについてはコードセグメントを切り替える瞬間、ロードは任意の比較移動命令を実行するときがベストでしょう。という事は・・・

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using MiniBitMachine.Utility;

//関係のないプログラムは省略・・・

//アドレスを管理するオブジェクト。
internal class Addresser
{
    //CS変更時に実行する処理。
    private void CsValueChangeedEvent( object sender, EventArgs e )
    {
        SaveAddress();
        this._pc.Value = 0;
    }
}

//実行に必要な情報を保持するオブジェクト。
public partial class ExecuteEnvironment
{
    //インスタンスを生成する。
    internal ExecuteEnvironment( Cpu cpu )
    {
        this._cpu = cpu;
        this.ZeroAddress = 0;
        this.OneAddress = 1;
        this.LastAddress = 255;
        this.CompareFlagAddress = 254;
        this.ProgramCounterAddress = 253;
        this.CodeSegmentAddress = 252;
        this.LoadAddress = 251;
        this.Init();
    }

    //オペランド取得関数を用意する。
    private void InitGetOperandTable( )
    {
        this._getOperandTable.Add(
            this.LoadAddress,
                ( CompareMove ope ) => {
                    var result = new GetOperandResult( ope );
                    result.Result =
                        new Immediate( this.LoadAddress );
                    result.IsLoad = true;
                    result.IsImmediate = true;
                    //比較移動命令にロード命令を埋め込む
                    result.Target.LoadAddressFunc =
                        ( ) => this._cpu.Addresser.LoadAddress();
                    return result;
                } );
    }
}

//比較移動命令。
public class CompareMove :
    Instruction,
    IEquatable<CompareMove>
{
    //命令を実行する。
    public virtual void Execute( )
    {
        if ( this._loadAddressFunc != null ) {
            this.LoadAddressFunc();
        } else if ( this._compareFlag ) {
            this.Destination.Value = this.Source.Value;
        }
    }
}

となります。ただし、比較移動命令オブジェクトに特別な命令を埋め込むのは、美しいコードとは言えません。改善の余地があります。それについては、今後触れると思います。
 実装したら、もちろんテストでしょう。テストも実装します・・・

class Sample
{
    static void Main( )
    {
        CallNotTest();
        Console.ReadLine();
    }

        //Not命令呼び出し。
    static void CallNotTest( )
    {
        //下準備
        byte ds = 1;
        byte cs = 2;
        byte targetAddress;
        var mem = new Memory();
        InitNot( ref mem, ds, cs, out targetAddress );
        Cpu cpu = new Cpu( ds, ( byte ) ( cs + 1 ), mem );
        ExecuteEnvironment exeinfo = cpu.GetEnvironment();

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

        //not命令を呼び出す命令を用意
        var call = new CompareMove();
        call.Destination =
            new Immediate( ex.CodeSegmentAddress );
        call.Source = new Immediate( cs );

        //not命令の呼出し後にストップする命令を用意
        var stop = cpu.GetStopCpuInstruction( true );

        //命令書き込み
        var codes = new CompareMove[ ] { 
            flagSet, call, stop };
        exeinfo.CodeWrite( codes );

        //テスト実行
        cpu.AllRun();
        bool value = exeinfo.ReadMemoryData( targetAddress );
        if ( value )
            Console.WriteLine( "エラー" );
        else
            Console.WriteLine( "成功" );
    }
}

このテストに合格したらOKです。これでサブルーチンらしいものが実現できるようになりました。しかし、メモリ領域やレジスタを使用する方法には、致命的な弱点が存在します。続く・・・
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