สรุปเนื้อหา LC-3 บทที่ 5 ถึง 9

บทที่ 5

LC-3: Instruction Set Architecture

ISA คือส่วนทั้งหมดของคอมพิวเตอร์ที่โปรแกรมเมอร์มองเห็นและควบคุมได้ ประกอบด้วยหน่วยความจำ รีจิสเตอร์ และชุดคำสั่ง

ภาพรวมของ LC-3

กลุ่มของ Opcode (15 ตัว)

Operate Instructions

มีเพียง ADD, AND และ NOT โดยต้นทางและปลายทางเป็นรีจิสเตอร์ ADD และ AND ใช้ค่าคงที่แบบ immediate ได้ ค่า immediate จะถูก sign-extend

เนื่องจากชุดคำสั่งมีน้อย การทำงานบางอย่างจึงต้องใช้เทคนิค เช่น

• การลบ: ใช้ NOT แล้วบวก 1 (2's complement)
• การล้างรีจิสเตอร์ให้เป็นศูนย์: AND R2, R2, #0
• การคัดลอกค่า: ADD R2, R1, #0

โหมดการกำหนดที่อยู่ (Addressing Modes)

Condition Codes และ Branch

รีจิสเตอร์ N, Z, P จะถูกตั้งค่าตามผลลัพธ์ของคำสั่งที่เขียนค่าลงรีจิสเตอร์ ได้แก่ ADD, AND, NOT, LD, LDI, LDR และ LEA โดยมีเพียงบิตเดียวที่เป็น 1 เสมอ

BR จะกระโดดไปยังเป้าหมายเมื่อเงื่อนไขที่ระบุเป็นจริง เป้าหมายต้องอยู่ในช่วง 256 คำจากคำสั่ง BR

; ตัวอย่าง: รวมเลข 12 ตัวที่เริ่มที่ x3100 (ตั้ง R1 = x3100 ก่อนเข้าลูป)
        AND R3, R3, #0      ; R3 = ผลรวม
        AND R2, R2, #0      ; R2 = 0\n        ADD R2, R2, #12     ; R2 = จำนวนตัวเลข (12)
LOOP    LDR R4, R1, #0      ; R4 = M[R1]
        ADD R3, R3, R4      ; R3 += R4
        ADD R1, R1, #1      ; ชี้ไปตัวถัดไป
        ADD R2, R2, #-1     ; นับถอยหลัง
        BRp LOOP            ; วนต่อถ้า R2 > 0

ลองทำด้วยตัวเอง

Data Path (ภาพรวมฮาร์ดแวร์)

• Global bus เส้นทางข้อมูล 16 บิตที่ต่อกับทุกส่วน ในแต่ละช่วงมีเพียงหนึ่งตัวที่ส่งสัญญาณลงบัส
• ALU ทำ ADD, AND, NOT และรับค่าจาก register file หรือ immediate
• Register file อ่านได้สองตัวพร้อมกัน (SR1, SR2) และเขียนได้หนึ่งตัว (DR)
• PC และ MAR มี MUX เลือกแหล่งที่มาของค่า
• Control unit เป็น state machine ที่ควบคุมว่าใครขับบัส และรีจิสเตอร์ใดรับค่าในแต่ละรอบ

บทที่ 6

Programming: การแก้ปัญหาและดีบักโปรแกรม

ขั้นตอนการแก้ปัญหาด้วยคอมพิวเตอร์คือแปลงโจทย์เป็นอัลกอริทึม แล้วแปลงอัลกอริทึมเป็นคำสั่ง LC-3 และเมื่อโปรแกรมไม่ทำงาน ก็ต้องดีบักอย่างเป็นระบบ

Stepwise Refinement

เทคนิคการแบ่งงานใหญ่ออกเป็นงานย่อยเรื่อย ๆ จนถึงระดับคำสั่งเครื่อง เริ่มจากโจทย์ เช่น "นับจำนวนครั้งที่ตัวอักษรปรากฏในไฟล์" แล้วแตกเป็นขั้นย่อย เช่น รับอักขระ นับ และแสดงผล

ตัวอย่างการ refine งาน B (สแกนไฟล์และนับตัวที่ตรงกัน) ได้โครงสร้างแบบ iterative ที่วนจนกว่าจะหมดไฟล์ ภายในลูปแยกเป็นงานย่อย B2 ที่เป็น conditional (ตรวจว่าตรงกันหรือไม่) และ B3 ที่เป็น sequential (ขยับตัวชี้แล้วโหลดตัวถัดไป) จากนั้นจึงแปลแต่ละงานย่อยเป็นคำสั่ง LC-3

โครงสร้างพื้นฐานสามแบบ

การเข้ารหัสเงื่อนไขด้วย LC-3

Sequential ไม่ต้องใช้คำสั่งพิเศษ เพราะคำสั่งเรียงต่อกันอยู่แล้ว ส่วน Conditional และ Iterative ต้องทำให้เงื่อนไขกลายเป็นค่า N, Z หรือ P ก่อน เช่น เทียบ R0 กับ R1 ด้วยการลบ ถ้าเท่ากัน Z จะเป็น 1 แล้วใช้ BR เพื่อส่งการควบคุมไปยังงานย่อยที่ถูกต้อง

ตัวอย่าง: นับตัวอักษรในไฟล์

ตัวอย่างนี้แบ่งงานเป็น 3 ส่วนแบบ sequential คือ เตรียมค่า (A) นับตัวอักษร (B) และแสดงผล (C) ส่วน B เป็น iterative ที่ตรวจทีละตัว และใช้ conditional ตรวจว่าตรงกันหรือไม่

; B2: ตรวจว่าตัวอักษรตรงกับที่ต้องการหรือไม่
        NOT R1, R1           ; กลับบิตของตัวอักษรในไฟล์
        ADD R1, R1, #1       ; R1 = −(ตัวอักษรในไฟล์)\n        ADD R1, R1, R0       ; R1 = R0 − ตัวอักษรในไฟล์ (0 ถ้าตรงกัน)
        BRnp B3              ; ไม่ตรง ข้ามการเพิ่มค่านับ
        ADD R2, R2, #1       ; ตรงกัน เพิ่ม count
B3      ADD R3, R3, #1       ; ขยับ pointer ไปตัวถัดไป
        LDR R1, R3, #0       ; โหลดตัวอักษรถัดไป

Debugging: ตามรอยโปรแกรม

การดีบักเปรียบได้กับการดูแผนที่เมื่อหลงทาง คือตรวจลำดับคำสั่งที่ทำงานจริง บันทึกผลลัพธ์แต่ละขั้น แล้วเทียบกับผลที่คาดไว้

ประเภทของข้อผิดพลาด

• Syntax error พิมพ์ผิดจนเป็นคำสั่งที่ไม่ถูกต้อง มักถูกจับได้ตอนแปลโค้ด
• Logic error โค้ดถูกต้องทางไวยากรณ์ แต่ทำงานไม่ตรงกับโจทย์ ต้องตามรอยโปรแกรม
• Data error ข้อมูลนำเข้าไม่เป็นไปตามที่คาดไว้ ต้องทดสอบด้วยข้อมูลหลากหลาย

บทเรียนจากตัวอย่างดีบัก

• โปรแกรมคูณ ผลลัพธ์ได้ 40 แทนที่จะเป็น 30 เพราะคำสั่ง branch ใช้เงื่อนไข zp ทำให้ตอนที่ค่าเป็นศูนย์ยังวนต่ออีกหนึ่งรอบ ควรวนต่อเฉพาะเมื่อยังไม่เป็นศูนย์ (np)
• โปรแกรมรวมอาร์เรย์ ได้ผลผิด เพราะใช้ LD โหลด "เนื้อหา" ของ x3100 แทนที่จะเป็นที่อยู่ x3100 ควรเปลี่ยนเป็น LEA
• โปรแกรมหาเลข 5 branch ไม่ทำงานตามที่คาด เพราะค่า condition code มาจากการโหลด R2 ไม่ใช่จากการลด R3
• โปรแกรมหาบิต 1 ตัวแรก ค้างเมื่อข้อมูลเป็นศูนย์ เกิด infinite loop ต้องเพิ่มการตรวจกรณีพิเศษ

บทที่ 7

Assembly Language: ภาษาแอสเซมบลี

แอสเซมเบลอร์คือโปรแกรมที่แปลงสัญลักษณ์ที่มนุษย์อ่านได้ เช่น ADD R6,R2,R6 ให้เป็นเลขฐานสองที่เครื่องรันได้

รูปแบบของคำสั่งแอสเซมบลี

LABEL   OPCODE   OPERANDS   ; COMMENTS
(ไม่บังคับ) (บังคับ)

• Label ชื่อสัญลักษณ์ที่ตำแหน่งนั้น ต้องอยู่ต้นบรรทัด
• Opcode คำสั่งหรือ directive เช่น ADD, LD, .FILL
• Operands รีจิสเตอร์ (R0–R7), ตัวเลข (# ทศนิยม, x ฐานสิบหก) หรือ label คั่นด้วยคอมมา
• Comment ทุกอย่างหลัง ; แอสเซมเบลอร์จะไม่สนใจ

ช่องว่างระหว่างสัญลักษณ์และตัวพิมพ์เล็กใหญ่ไม่มีผลต่อการทำงาน

Assembler Directives (Pseudo-ops)

เป็นคำสั่งที่ใช้กับแอสเซมเบลอร์เอง ไม่ได้ทำงานตอนโปรแกรมรัน

Trap Pseudo-instructions

แอสเซมเบลอร์มีชื่อคำสั่งสำเร็จรูปให้กับ TRAP แต่ละตัว จึงไม่ต้องจำหมายเลข

แนวทางการเขียนให้อ่านง่าย

• ใส่ header ของโปรแกรม ระบุชื่อผู้เขียน วันที่ และจุดประสงค์
• จัดคอลัมน์ label, opcode, operands และ comment ให้ตรงกันทุกบรรทัด
• คอมเมนต์ว่ารีจิสเตอร์แต่ละตัวทำหน้าที่อะไร
• ตั้งชื่อ label ให้สื่อความหมาย เช่น ASCIItoBinary, SaveR1
• คอมเมนต์ "เพิ่มข้อมูล" ไม่ใช่ "ทวนสิ่งที่โค้ดทำ" เช่น ไม่ควรเขียนว่า "decrement R1" แต่ควรบอกว่า "R1 เก็บจำนวนรอบ"
• ไม่ให้บรรทัดยาวเกินหน้ากระดาษ

กระบวนการแปลงโค้ด 2 รอบ (Two-pass Assembly)

ข้อผิดพลาดที่พบบ่อย ได้แก่ จำนวนหรือชนิด operand ไม่ถูกต้อง ค่า immediate เกินขนาด และ label ที่อยู่ห่างเกิน 256 คำ จนใช้ PC-relative ไม่ได้

Object File และการโหลดโปรแกรม

ไฟล์ object ที่ใช้โหลดเข้าเครื่องจำลองประกอบด้วยที่อยู่เริ่มต้นที่โปรแกรมต้องถูกโหลด ตามด้วยคำสั่งเป็นเลขฐานสอง

• โค้ดระบบอยู่ต่ำกว่า x3000 ส่วนโค้ดผู้ใช้ควรอยู่ระหว่าง x3000 ถึง xFDFF
• เมื่อโหลดหลายไฟล์ ระวังไม่ให้ที่อยู่ทับกัน

ตัวอย่างไฟล์ object ส่วนต้นของโปรแกรมนับตัวอักษร (ซ้ายคือเลขฐานสอง ขวาคือคำสั่งที่เทียบเท่า)

0011000000000000   .ORIG x3000
0101010010100000   AND R2, R2, #0
0010011000010001   LD R3, PTR
1111000000100011   TRAP x23

Loading และ Linking

• Loading คือการคัดลอกภาพโปรแกรมเข้าหน่วยความจำ ตัวโหลดที่ซับซ้อนสามารถย้ายตำแหน่งได้ และต้องปรับ branch target กับที่อยู่ของ load/store ด้วย
• Linking คือการเชื่อมสัญลักษณ์ระหว่างไฟล์ object ที่แยกกัน เช่น ใช้ .EXTERNAL เพื่อบอกว่า label นี้ถูกนิยามอยู่ในโมดูลอื่น

บทที่ 8

I/O: การติดต่อกับโลกภายนอก

โปรแกรมต้องรับข้อมูลจากอุปกรณ์ภายนอก เช่น คีย์บอร์ด และส่งข้อมูลออกไป เช่น จอภาพ บทนี้อธิบายว่าเครื่องติดต่อกับอุปกรณ์เหล่านั้นอย่างไร

ประเภทและอัตราการส่งข้อมูลของอุปกรณ์

I/O Controller

แต่ละอุปกรณ์มีรีจิสเตอร์ 3 ประเภทที่ CPU ใช้ควบคุม

• Control/Status register CPU สั่งงานโดยเขียนลง control register และตรวจว่างานเสร็จหรือยังโดยอ่าน status register
• Data register ใช้ส่งข้อมูลเข้าหรือออกจากอุปกรณ์
• Device electronics ส่วนที่ทำงานจริง เช่น ส่งพิกเซลขึ้นจอ หรืออ่านอักขระจากคีย์บอร์ด

รูปแบบการเชื่อมต่อ

LC-3 Memory-mapped I/O

การรับข้อมูลจากคีย์บอร์ด

• เมื่อมีการพิมพ์ รหัส ASCII จะถูกวางในบิต 7–0 ของ KBDR และตั้งบิต ready (KBSR[15]) เป็น 1
• คีย์บอร์ดจะถูกปิดชั่วคราวจนกว่า KBDR จะถูกอ่าน ตัวอักษรที่พิมพ์ระหว่างนั้นจะถูกละทิ้ง
• เมื่ออ่าน KBDR บิต ready จะกลับเป็น 0 และคีย์บอร์ดเปิดใหม่

โค้ด Polling สำหรับรับและแสดงผล

; รอรับอักขระจากคีย์บอร์ด
POLL1   LDI R0, KBSRPtr     ; ตรวจ KBSR
        BRzp POLL1          ; ยังไม่มีอักขระ วนรอ
        LDI R0, KBDRPtr     ; อ่านอักขระ

; รอให้จอพร้อม แล้วแสดงอักขระ
POLL2   LDI R1, DSRPtr      ; ตรวจ DSR
        BRzp POLL2          ; จอยังไม่พร้อม วนรอ
        STI R0, DDRPtr      ; เขียนอักขระลง DDR

KBSRPtr .FILL xFE00
KBDRPtr .FILL xFE02
DSRPtr  .FILL xFE04
DDRPtr  .FILL xFE06

โค้ดนี้ใช้ BRzp เพราะบิต 15 เป็น 1 ทำให้ค่าเป็นลบ ถ้าบิตนี้เป็น 0 จึงแปลว่า "ยังไม่พร้อม" และให้วนรอต่อ

Interrupt-driven I/O

อุปกรณ์สามารถขัดจังหวะการทำงานของโปรแกรม ให้ CPU ทำงานให้มัน แล้วกลับมาทำงานเดิมได้ราวกับไม่มีอะไรเกิดขึ้น

• เหตุผล Polling กินรอบ CPU มาก โดยเฉพาะเมื่อเหตุการณ์เกิดไม่บ่อย รอบที่เหลือจึงนำไปคำนวณอย่างอื่นได้
• การทำงาน ถ้าบิต ready และ interrupt enable (IE) เป็น 1 อุปกรณ์จะส่งสัญญาณ interrupt ไปยัง CPU
• ลำดับความสำคัญ LC-3 มี 8 ระดับ (PL0–PL7) อุปกรณ์ที่มีระดับสูงกว่าสามารถขัดจังหวะโปรแกรมระดับต่ำได้ แต่ไม่ใช่ทางกลับกัน
• การตรวจสอบ CPU จะตรวจสัญญาณระหว่างขั้น STORE และ FETCH ถ้ามีสัญญาณ จะโอนการควบคุมไปยัง interrupt service routine

เนื่องจากมีบิต interrupt enable รีจิสเตอร์สถานะ KBSR และ DSR จึงต้องทั้งอ่านและเขียนได้

บทที่ 9

TRAP Routines และ Subroutines

การทำงานบางอย่างต้องใช้สิทธิ์พิเศษและความรู้เฉพาะด้าน ระบบปฏิบัติการจึงจัดเตรียม service routine ไว้ให้โปรแกรมเรียกใช้ และโปรแกรมผู้ใช้ก็สามารถแบ่งโค้ดเป็น subroutine ของตัวเองได้

System Call

ทำไมต้องมี system call เพราะอุปกรณ์ I/O ถูกใช้ร่วมกันหลายโปรแกรม ความผิดพลาดเพียงครั้งเดียวอาจกระทบผู้ใช้จำนวนมาก ระบบจึงเก็บการควบคุมไว้ในส่วนของระบบปฏิบัติการ ขั้นตอนคือ โปรแกรมเรียกใช้ → OS ทำงาน → กลับมาที่โปรแกรม ใน LC-3 ทำผ่านกลไก TRAP

กลไก TRAP

1. Service routines ชุดโค้ดของระบบ เริ่มที่ตำแหน่งใดก็ได้ (โค้ดระบบมักอยู่ต่ำกว่า x3000) มีได้สูงสุด 256 ตัว
2. Trap table ตารางที่อยู่ x0000 ถึง x00FF เก็บที่อยู่เริ่มต้นของแต่ละ routine
3. คำสั่ง TRAP trap vector 8 บิต ใช้เป็นดัชนีในตาราง
4. การกลับ บันทึกที่อยู่ของคำสั่งถัดไปไว้ใน R7 เพื่อให้กลับมาทำงานต่อได้ทันที

ข้อควรระวัง service routine ต้องไม่เปลี่ยนค่า R7 มิฉะนั้นจะไม่รู้ว่าต้องกลับไปที่ใด

TRAP Routines ที่ใช้บ่อย

ตัวอย่าง: แปลงตัวเลข ASCII เป็นตัวพิมพ์เล็ก

        .ORIG x3000
        LD  R2, TERM         ; R2 = -'7' (ใช้ตรวจการจบ)
        LD  R3, ASCII        ; R3 = ผลต่างตัวพิมพ์ (x0020)
AGAIN   TRAP x23             ; รับอักขระ
        ADD R1, R2, R0       ; ตรวจว่าเป็น '7' หรือไม่
        BRz EXIT             ; ถ้าใช่ จบการทำงาน
        ADD R0, R0, R3       ; แปลงเป็นตัวพิมพ์เล็ก
        TRAP x21             ; แสดงผล
        BRnzp AGAIN
TERM    .FILL xFFC9          ; -'7'
ASCII   .FILL x0020
EXIT    TRAP x25             ; HALT
        .END

การบันทึกและกู้คืนรีจิสเตอร์

ต้องบันทึกค่าเมื่อ routine จะทำลายค่านั้น และโปรแกรมยังต้องใช้ค่านั้นหลังจากนั้น มีสองแนวทาง

• Callee-save routine ที่ถูกเรียกบันทึกและคืนค่ารีจิสเตอร์ที่ตนเองจะเปลี่ยน
• Caller-save ผู้เรียกบันทึกค่าที่ตนยังต้องใช้ เช่น ต้องบันทึก R7 ก่อนเรียก TRAP และบันทึก R0 ก่อนใช้ TRAP x23

โดยทั่วไปใช้ callee-save เป็นหลัก ยกเว้นค่าที่ใช้ส่งกลับ ค่าเหล่านี้ไม่ควรถูกคืนค่าเดิม

Subroutine

Subroutine คือโค้ดในพื้นที่ของผู้ใช้ที่ทำงานเฉพาะอย่างและถูกเรียกใช้จากโปรแกรมอื่น ไม่จำเป็นต้องมีสิทธิ์พิเศษ ประโยชน์คือนำโค้ดที่ผ่านการทดสอบแล้วกลับมาใช้ได้ แบ่งงานให้โปรแกรมเมอร์หลายคน และใช้ไลบรารีจากผู้ผลิตได้

JSR และ JSRR

ทั้งสองคำสั่งบันทึกที่อยู่ของคำสั่งถัดไปลงใน R7 เรียกว่า "linking" และกลับด้วย RET เช่นเดียวกับ TRAP ข้อดีของ JSRR คือเรียกได้แม้ปลายทางอยู่ห่างเกินช่วงของ JSR เหมาะกับการเรียกไลบรารีที่โหลดไว้ไกล

ตัวอย่าง: Subroutine 2's Complement

2sComp  NOT R0, R0           ; กลับบิตทั้งหมด
        ADD R0, R0, #1       ; บวก 1
        RET                  ; กลับไปยังผู้เรียก

; การเรียกใช้งาน: คำนวณ R4 = R1 - R3
        ADD R0, R3, #0       ; คัดลอก R3 ไป R0
        JSR 2sComp           ; ได้ -R3 ใน R0
        ADD R4, R1, R0       ; R4 = R1 + (-R3)

หมายเหตุ ถ้าผู้เรียกต้องใช้ R0 ภายหลัง ต้องบันทึกก่อนเรียก

การส่งข้อมูลเข้าและออก

• Argument ค่าที่ส่งเข้าไปให้ subroutine เช่น R0 ของ 2sComp คือค่าที่ต้องการกลับเครื่องหมาย
• Return value ค่าที่ subroutine คำนวณได้และส่งกลับ เช่น ค่าที่กลับเครื่องหมายแล้วอยู่ใน R0

ตัวอย่าง: FirstChar และ CountChar

โจทย์คือเขียน FirstChar เพื่อหาตำแหน่งแรกของอักขระใน R0 ในสตริงที่ R1 ชี้ไป แล้วคืนที่อยู่ใน R2 จากนั้นใช้ FirstChar เขียน CountChar เพื่อนับจำนวนครั้ง ข้อดีคือเขียน CountChar ได้โดยไม่ต้องรู้การทำงานภายในของ FirstChar

; CountChar: นับจำนวนครั้งที่ R0 ปรากฏในสตริงที่ R1 ชี้ไป ผลลัพธ์ใน R2
CountChar
        ST  R3, CCR3         ; บันทึกรีจิสเตอร์
        ST  R4, CCR4
        ST  R7, CCR7         ; ต้องบันทึก R7 เพราะเรียก JSR
        ST  R1, CCR1
        AND R4, R4, #0       ; count = 0
CC1     JSR FirstChar        ; หาตำแหน่งถัดไป (ผลใน R2)
        LDR R3, R2, #0
        BRz CC2              ; ถึง NULL แล้ว จบ
        ADD R4, R4, #1       ; เพิ่ม count
        ADD R1, R2, #1       ; ชี้ไปตัวถัดไป
        BRnzp CC1
CC2     ADD R2, R4, #0       ; คืนค่า count ใน R2
        LD  R3, CCR3
        LD  R4, CCR4
        LD  R1, CCR1
        LD  R7, CCR7
        RET

FirstChar: หาตำแหน่งแรกของอักขระ

ผู้เรียกส่งอักขระใน R0 และที่อยู่ของสตริงใน R1 แล้วรับที่อยู่ของอักขระที่พบ (หรือ NULL ถ้าไม่พบ) กลับมาใน R2 routine นี้บันทึกรีจิสเตอร์ที่ใช้ เก็บค่าลบของอักขระไว้เปรียบเทียบด้วยการบวก วนอ่านทีละตัวจนเจอตัวที่ตรงหรือถึง NULL แล้วกู้คืนรีจิสเตอร์และ RET

Service routine เรียก service routine อื่นได้ไหม

ได้ แต่ต้องบันทึก R7 ก่อนเรียก เพราะ TRAP หรือ JSR จะเขียนทับ R7 ด้วยที่อยู่กลับของตัวเอง ถ้าไม่บันทึกไว้จะกลับไปยังผู้เรียกเดิมไม่ได้

Library Routines

ผู้ผลิตอาจให้ไฟล์ object ที่มี subroutine สำเร็จรูปโดยไม่เปิดเผยซอร์สโค้ด แอสเซมเบลอร์และลิงเกอร์ต้องรองรับ .EXTERNAL หรือผู้ใช้ต้องได้ที่อยู่เริ่มต้นของ routine เอง เมื่อไม่แน่ใจว่าปลายทางอยู่ในช่วง 1024 คำสั่งหรือไม่ ให้ใช้ JSRR เก็บที่อยู่ไว้ในตัวแปร แล้วโหลดมาเรียก

        .EXTERNAL SQRT
        LD   R2, SQAddr      ; โหลดที่อยู่ของ SQRT
        JSRR R2
        ...
SQAddr  .FILL SQRT