Kod dan Uji Komputer dalam Bahasa Mesin: 6 Langkah

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2024-01-30 11:09

Dalam Instructable ini, saya akan menunjukkan kepada anda cara membuat kod dan menguji program komputer dalam bahasa mesin. Bahasa mesin adalah bahasa ibunda komputer. Oleh kerana ia terdiri daripada rentetan 1s dan 0s, ia tidak mudah difahami oleh manusia. Untuk mengatasi masalah ini, kami membuat kod program terlebih dahulu dalam bahasa tahap tinggi seperti C ++ atau Java kemudian menggunakan program komputer khas untuk menerjemahkannya ke dalam 1s dan 0s yang difahami oleh komputer. Belajar kod dalam bahasa tahap tinggi tentu saja tidak perlu dipertimbangkan tetapi pengenalan ringkas mengenai bahasa mesin dapat memberikan pandangan berharga tentang bagaimana komputer berfungsi dan meningkatkan penghargaan terhadap teknologi yang sangat penting ini.

Untuk membuat kod dan menguji program bahasa mesin, kita memerlukan akses ke komputer tanpa embel-embel yang bahasa mesinnya mudah difahami. Komputer peribadi terlalu rumit untuk dipertimbangkan. Penyelesaiannya adalah dengan menggunakan Logisim, simulator logik, yang berjalan di komputer peribadi. Dengan Logisim kita dapat mensimulasikan komputer yang memenuhi keperluan kita. Video di atas memberi anda idea tentang apa yang dapat kita capai dengan Logisim.

Untuk reka bentuk komputer, saya menyesuaikannya dari e-book Kindle Build Your Own Computer - From Scratch. Saya memulakan dengan komputer BYOC yang dijelaskan di sana dan memangkasnya ke BYOC-I asas yang berbeza (I untuk Instructable) yang akan kita gunakan dalam Instructable ini.

Bahasa mesin BYOC-I ringkas dan senang difahami. Anda tidak memerlukan pengetahuan khusus mengenai komputer atau pengaturcaraan. Semua yang diperlukan adalah minda yang ingin tahu dan keinginan untuk belajar

Bacaan lanjut

Anda mungkin tertanya-tanya mengapa kita menggunakan "mesin" untuk menerangkan komputer apabila ia bukan alat mekanikal. Sebabnya bersejarah; alat pengkomputeran pertama adalah mekanikal yang terdiri daripada gear dan roda. Lirik Allan Sherman, "Itu semua peralatan berjalan dengan mudah …" hanya bermula satu atau dua abad. Baca lebih lanjut mengenai pengkomputeran awal di sini.

Langkah 1: Senarai Bahagian

Senarai bahagiannya pendek. Hanya diperlukan dua item ini, kedua-duanya boleh dimuat turun secara percuma:

1. "Logisim-win-2.7.1.exe" - Logisim adalah simulator logik yang popular dan mudah digunakan. Muat turun fail yang boleh dilaksanakan Logisim dari sini kemudian buat jalan pintas di tempat yang mudah seperti desktop anda. Klik dua kali ikon Logisim untuk melancarkannya. Catatan: Logisim menggunakan Java Runtime Package yang terdapat di sini. Anda mungkin diminta memuat turunnya.
2. BYOC-I-Full.cir "- Muat turun fail litar Logisim di bawah.

Lancarkan Logisim kemudian klik "File-Open" dan muatkan fail BYOC-I-Full.cir. Gambar di atas menunjukkan persekitaran kerja Logisim. BYOC-I diwakili oleh blok subkitar. Bersambung secara luaran adalah dua input, Reset dan Run, dan paparan heksadesimal untuk daftar dan memori program BYOC-I.

Memori program BYOC-I telah dimuatkan dengan program mudah yang dikira dari 1 hingga 5 dalam daftar A. Untuk melaksanakan (Jalankan) program, ikuti langkah-langkah ini.

Langkah 1 - Klik pada Poke Tool. Kursor harus berubah menjadi "jari" yang mencucuk. Langkah 2 - Masukkan input Reset dua kali, sekali ubah menjadi "1" dan sekali lagi untuk menukarnya kembali ke "0". Ini menetapkan semula BYOC-I untuk memulakan program di alamat 0. Langkah 3 - Masukkan input Run sekali untuk mengubahnya menjadi "1". Daftar A harus menunjukkan kiraan berubah dari 1 hingga 5 kemudian diulang. Langkah 4 - Jika program tidak dijalankan, tekan control-K dan ia harus dimulakan.

Sekiranya anda ingin meneroka kemampuan Logisim, klik pautan Bantuan di Menu Bar. Dari sana, anda boleh meneroka "Tutorial" Logisim, "Panduan Pengguna", dan "Rujukan Perpustakaan". Pengenalan video yang sangat baik terdapat di sini.

Langkah 2: Hierarki dan Kod Bahasa Mesin

Komputer BYOC-I menjalankan tugas berdasarkan program yang ditulis dalam bahasa mesin. Program BYOC-I, pada gilirannya, terdiri daripada arahan yang dilaksanakan dalam urutan yang ditentukan dengan baik. Setiap arahan dibuat dari kod panjang tetap yang mewakili pelbagai komponen operasi BYOC-I. Akhirnya, kod ini terdiri daripada rentetan 1 dan 0 yang membentuk bahasa mesin yang sebenarnya dilaksanakan oleh BYOC-I.

Sebagai penjelasan, kami akan memulakan dengan kod dan terus mencapai tahap program. Kemudian kita akan membuat kod program sederhana, memuatkannya ke dalam memori BYOC-I, dan melaksanakannya.

Kod terdiri daripada bilangan tetap digit (1 dan 0) digit atau bit, pendeknya. Sebagai contoh, jadual di bawah menunjukkan semua kod yang mungkin (16 semuanya) untuk kod selebar 4 bit. Yang ditunjukkan di sebelah kodnya ialah heksadesimal (asas 16) dan setara perpuluhan. Heksadesimal digunakan untuk merujuk kepada nilai binari kerana lebih padat daripada binari dan lebih mudah ditukar dari binari daripada perpuluhan. Awalan "0x" membolehkan anda mengetahui nombor yang berikut adalah heksadesimal atau "hex".

Perduaan - Perpuluhan - Perpuluhan0000 0x0000 00001 0x0001 10010 0x0002 20011 0x0003 30100 0x0004 40101 0x0005 50111 0x0007 71000 0x0008 81001 0x0009 91010 0x000A 101011 0x000B 111100 0x000C 121101 0000000 1311111000

Lebar kod menentukan berapa banyak item yang dapat diwakili. Seperti yang dinyatakan, kod lebar 4-bit di atas dapat mewakili hingga 16 item (0 hingga 15); iaitu, 2 kali 2 diambil empat kali atau kuasa 2 hingga 4 sama dengan 16. Secara umum, jumlah item yang dapat dilambangkan adalah 2 dinaikkan ke daya ke-9. Berikut adalah senarai pendek kapasiti kod n-bit.

n - Bilangan Item1 22 43 84 165 326 647 1288 256

Lebar kod komputer BYOC-I dipilih untuk menampung jumlah item yang akan diwakili oleh kod tersebut. Contohnya, terdapat empat Jenis Arahan, jadi kod lebar 2-bit sesuai. Berikut adalah kod BYOC-I dengan penjelasan ringkas masing-masing.

Kod Jenis Arahan (tt) Terdapat empat jenis arahan: (1) MVI - Pindahkan nilai pemalar 8-bit segera ke dalam daftar memori. Register memori adalah perangkat yang menyimpan data yang akan digunakan untuk perhitungan, (2) MOV - Pindahkan data dari satu register ke register lain, (3) RRC - Lakukan pengiraan register-to-register, dan (4) JMP - Jump kepada arahan yang berbeza dan bukannya meneruskan arahan seterusnya. Kod Jenis Instruksi BYOC-I yang digunakan adalah seperti berikut:

00 MVI01 MOV10 RRC11 JMP

Daftar Kod (dd dan ss) BYOC-I mempunyai empat register 8-bit yang mampu menyimpan nilai dari 0 hingga 255. Kod 2-bit cukup untuk menetapkan keempat-empat register:

00 F register01 E register10 D register11 A register

Kod Pengiraan (ccc) BYOC-I menyokong empat operasi aritmetik / logik. Untuk membolehkan pengembangan masa depan menjadi lapan pengiraan, kod 3-bit digunakan:

000 ADD, tambahkan dua nilai 8-bit dalam register yang ditentukan dan simpan hasilnya di salah satu register 001 SUB, tolak dua nilai 8-bit dalam register yang ditentukan dan simpan hasilnya di salah satu register 010 - 011 Dicadangkan untuk kegunaan masa depan100 DAN, secara logik DAN dua nilai 8-bit dalam daftar yang ditentukan dan menyimpan hasilnya di salah satu register101 ATAU, secara logik ATAU dua nilai 8-bit dalam daftar yang ditentukan dan menyimpan hasilnya di salah satu register110 hingga 111, Dihemat untuk kegunaan masa depan

Lompat Kod (j) Kod 1-bit yang menunjukkan sama ada lompatan tidak bersyarat (j = 1) atau dikondisikan pada hasil pengiraan bukan sifar (j = 0).

Data / Kod Alamat (v… v) / (a… a) Data 8-bit boleh dimasukkan dalam arahan tertentu yang mewakili nilai dari 00000000 hingga 11111111 atau 0 hingga 255 perpuluhan. Data ini selebar 8-bit untuk penyimpanan dalam daftar 8-bit BYOC-I. Dengan aritmetik perpuluhan, kami tidak menunjukkan angka nol terkemuka. Dengan aritmetik komputer, kami menunjukkan angka nol terkemuka tetapi tidak mempengaruhi nilainya. 00000101 berangka sama dengan angka perpuluhan 101 atau 5.

Rujukan yang dicadangkan

Notasi Binari - https://learn.sparkfun.com/tutorials/binary Notasi Heksadesimal -

Bacaan lanjut

Idea menggunakan kod untuk mendorong proses berjalan jauh. Salah satu contoh menarik ialah Jacquard Loom. Alat tenun automatik dikendalikan oleh rantai kad kayu di mana lubang digerudi mewakili kod untuk benang berwarna yang berbeza untuk menenun. Saya melihat yang pertama saya di Scotland di mana ia digunakan untuk membuat tartan berwarna-warni. Baca lebih lanjut mengenai Jacquard Looms di sini.

Langkah 3: Anatomi Arahan BYOC-I

Memandangkan kod BYOC-I, kita bergerak ke tahap seterusnya, arahan. Untuk membuat arahan untuk BYOC-I, kami meletakkan kod-kod tersebut dalam urutan yang ditentukan dan di lokasi-lokasi tertentu dalam arahan tersebut. Tidak semua kod muncul dalam semua arahan tetapi, apabila ada, mereka menempati lokasi tertentu.

Jenis arahan MVI memerlukan bit paling banyak, 12 semuanya. Dengan membuat perkataan arahan dengan panjang 12 bit, kami menampung semua arahan. Bit yang tidak digunakan (disebut "tidak peduli") diberi nilai 0. Berikut adalah Set Instruksi BYOC-I.

1. Pindah Segera (MVI) - 00 dd vvvvvvvvFungsi: Pindahkan nilai data 8-bit V = vvvvvvvvv ke daftar tujuan dd. Selepas pelaksanaan, register dd akan mempunyai nilai vvvvvvvv. Singkatan: MVI R, V di mana R adalah A, D, E, atau F. Contoh: 00 10 00000101 - MVI D, 5 - Pindahkan nilai 5 ke daftar D.
2. Pindahkan Daftar ke Daftar (MOV) - 01 dd ss 000000Fungsi: Pindahkan data dari ss register sumber ke desination register dd. Setelah dilaksanakan, kedua-dua register mempunyai nilai yang sama dengan register sumber. Singkatan: MOV Rd, Rs di mana Rd adalah daftar tujuan A, D, E, atau F dan Rs adalah daftar sumber A, D, E, atau F. Contoh: 01 11 01 000000 - MOV A, E - Pindahkan nilai dalam daftar E untuk mendaftar A.
3. Daftar untuk Mendaftar Pengiraan (RRC) - 10 dd ss ccc 000Fungsi: Lakukan pengiraan ccc yang ditentukan menggunakan ss daftar sumber dan dd tujuan kemudian simpan hasilnya di daftar tujuan. Singkatan: ADD Rd, Rs (ccc = 000 Rd + Rs disimpan dalam Rd); SUB Rd, Rs (ccc = 001 Rd - Rs disimpan dalam Rd); DAN Rd, Rs (ccc = 100 Rd DAN Rs disimpan dalam Rd); ATAU Rd, Rs (ccc = 101 Rd ATAU Rs disimpan dalam Rd). Contoh: 10 00 11 001 000 - SUB F, A - Kurangkan nilai dalam daftar A dari daftar F dengan hasil dalam daftar F.
4. Lompat ke Arahan Berbeza (JMP) - 11 j 0 aaaaaaaaFungsi: Tukar pelaksanaan kepada arahan yang berlainan yang terletak di alamat aaaa aaaa (a) Tanpa syarat (j = 1) -11 1 0 aaaaaaaa Singkatan: JMP L di mana L adalah alamat aaaa aaaaContoh: 11 1 0 00001000 - JMP 8 - Ubah pelaksanaan ke alamat 8. (b) Bersyarat (j = 0) apabila pengiraan sebelumnya menghasilkan hasil tidak sifar - 11 0 0 aaaaaaaa Singkatan: JNZ L di mana L adalah alamat aaaa aaaa. Contoh: 11 0 0 00000100 JNZ 4 Jika pengiraan terakhir menghasilkan nilai bukan sifar, ubah pelaksanaan ke alamat 4.

Bit kata arahan diberi nombor kiri (bit MSB paling signifikan) ke kanan (bit LSB paling signifikan) dari 11 hingga 0. Urutan tetap dan lokasi kod adalah seperti berikut:

Bits - Code11-10 Jenis Arahan9-8 Daftar Tujuan7-6 Daftar Sumber5-3 Pengiraan: 000 - tambah; 001 - tolak; 100 - logik DAN; 101 - logik OR7-0 Nilai malar v… v dan a… a (0 hingga 255)

Set arahan diringkaskan dalam gambar di atas. Perhatikan penampilan kod yang tersusun dan teratur dalam setiap arahan. Hasilnya adalah reka bentuk yang lebih ringkas untuk BYOC-I dan menjadikan arahan lebih mudah difahami oleh manusia.

Langkah 4: Pengekodan Arahan Komputer

Sebelum beralih ke peringkat program, mari kita bina beberapa contoh arahan menggunakan Set Instruksi BYOC-I di atas.

1. Pindahkan nilai 1 ke daftar A. Pendaftar BYOC-I dapat menyimpan nilai dari 0 hingga 255. Dalam kes ini, daftar A akan mempunyai nilai 1 (00000001 binary) setelah pelaksanaan arahan.

Singkatan: MVI A, 1Kod Diperlukan: Taip MVI - 00; Daftar Destinasi A - 11; Nilai - 00000001 Kata Pengantar: 00 11 00000001

2. Pindahkan kandungan daftar A ke daftar D. Setelah dilaksanakan, kedua-dua daftar tersebut akan mempunyai nilai pada asalnya dalam daftar A.

Singkatan: MOV D, A (Ingat, destinasi adalah yang pertama dan sumber kedua dalam senarai) Kod yang Diperlukan: Taip MOV - 01; Daftar Destinasi D - 10; Daftar Sumber A - 11Kata Arahan: 01 10 11 000000

3. Tambahkan isi daftar D untuk mendaftarkan A dan simpan dalam daftar A. Selepas pelaksanaan, nilai daftar A akan menjadi jumlah nilai asal daftar A dan daftar D.

Singkatan: ADD A, D (Hasil disimpan dalam daftar tujuan) Kod yang Diperlukan: Jenis RRC - 10; Daftar Destinasi A - 11; Daftar Sumber D - 10; Tambah Pengiraan - 000 Kata Pengantar: 10 11 10 000 000 (ccc pertama 000 - tambah)

4. Langsung tidak ke sifar ke alamat 3. Sekiranya hasil pengiraan terakhir tidak sifar, pelaksanaan akan berubah menjadi arahan di alamat yang diberikan. Sekiranya sifar, pelaksanaan disambung semula mengikut arahan berikut.

Singkatan: JNZ 3Kod Diperlukan: Taip JMP - 11; Jenis Lompat - 0; Alamat - 00000003 Kata Pengantar: 11 0 0 00000003 (Jenis lompat pertama 0)

5. Lompat tanpa syarat ke alamat 0. Setelah pelaksanaan, pelaksanaan berubah pada arahan di alamat yang diberikan.

Singkatan: JMP 0Kod Diperlukan: Jenis JMP - 11; Jenis Lompat - 1; Alamat - 00000000Kata Arahan; 11 1 0 00000000

Walaupun pengekodan mesin agak membosankan, anda dapat melihat bahawa tidak sukar. Sekiranya anda menggunakan pengekodan mesin secara nyata, anda akan menggunakan program komputer yang disebut assembler untuk menterjemahkan dari singkatan (yang disebut kod pemasangan) ke kod mesin.

Langkah 5: Anatomi Program Komputer

Program komputer adalah senarai arahan yang dilaksanakan oleh komputer bermula pada awal senarai terus ke senarai hingga akhir. Arahan seperti JNZ dan JMP boleh mengubah arahan mana yang akan dilaksanakan seterusnya. Setiap arahan dalam senarai menempati satu alamat dalam memori komputer bermula pada 0. Memori BYOC-I dapat menyimpan senarai 256 arahan, lebih dari cukup untuk tujuan kita.

Program komputer dirancang untuk melaksanakan tugas yang diberikan. Untuk program kami, kami akan memilih tugas mudah, dari 1 hingga 5. Jelas, tidak ada arahan "hitung", jadi langkah pertama adalah memecah tugas menjadi beberapa langkah yang dapat ditangani oleh BYOC-I sangat set arahan terhad.

Langkah 1 Pindahkan 1 untuk mendaftar AStep 2 Pindahkan daftar A untuk mendaftarkan DStep 3 Tambahkan daftar D untuk mendaftar A dan simpan hasilnya di daftar AStep 4 Pindahkan 5 untuk mendaftar EStep 5 Tolak daftar A dari daftar E dan simpan hasilnya di daftar EStep 6 Jika hasil pengurangan tidak sifar, kembali ke Langkah 4 dan teruskan pengiraan Langkah 7 Sekiranya hasil penolakan adalah sifar, kembali dan mulakan semula

Langkah seterusnya adalah menerjemahkan langkah-langkah ini ke dalam arahan BYOC-I. Program BYOC-I bermula di alamat 0 dan nombor berturut-turut. Alamat sasaran lompat ditambahkan terakhir setelah semua arahan ada..

Alamat: Arahan - Singkatan; Keterangan0: 00 11 00000001 - MVI A, 1; Pindahkan 1 ke pendaftaran A1: 01 10 11 000000 - MOV D, A; Pindahkan daftar A ke pendaftaran D2: 10 11 10 000 000 - ADD A, D; Tambah daftar D untuk mendaftar A dan simpan hasilnya di daftar A3: 00 01 00 00000101 - MVI E, 5; Pindahkan 5 daftar E4: 10 01 11 001 000 - SUB E, A; Kurangkan daftar A dari daftar E dan simpan hasilkan dalam daftar E5: 11 0 0 00000010 - JNZ 2; Sekiranya hasil penolakan tidak sifar, kembali ke alamat 3 dan teruskan pengiraan6: 11 1 0 00000000 - JMP 0; Sekiranya hasil penolakan adalah sifar, kembali dan mulakan semula

Sebelum memindahkan program ke memori, kod arahan binari harus diubah menjadi heksadesimal untuk digunakan dengan Logisim Hex Editor. Pertama, bahagikan arahan kepada tiga kumpulan masing-masing 4 bit. Kemudian terjemahkan kumpulan ke dalam heksadesimal menggunakan jadual pada Langkah 2. Hanya tiga digit heksadesimal terakhir (dengan huruf tebal di bawah) yang akan digunakan.

Alamat - Instruksi Binary - Instruction Binary Split - Instruction (Hex) 0 001100000001 0011 0000 0001 - 0x03011 011011000000 0110 1100 0000 - 0x06C02 101110000000 1011 1000 0000 - 0x0B803 000100000101 0001 0000 0101 - 0x01054 10000000000000000000000000000000000000000000000 111000000010 1110 0000 0000 - 0x0E00

Sudah tiba masanya untuk memindahkan program ke memori BYOC-I untuk ujian.

Langkah 6: Memindahkan Program ke Memori dan Pengujian

Melihat litar "utama" Logisim, blok BYOC-I yang ditunjukkan adalah simbol bagi litar komputer sebenar yang berlabel "BYOC-I" di Jelajah Explorer. Untuk memasukkan program ke dalam memori BYOC-I:

1. Klik kanan blok BYOC-I (disebut "subcircuit") dan pilih (arahkan kursor ke atas dan kiri) "Lihat BYOC-I".
2. Litar BYOC-I akan muncul di Kawasan Kerja. Klik kanan pada simbol "Memori Program" dan pilih "Edit Kandungan..".
3. Dengan menggunakan Logisim Hex Editor, masukkan kod heksadesimal (hanya tebal) seperti gambar di atas.

Anda kini bersedia untuk melaksanakan program ini. Kembali ke litar utama dengan mengklik dua kali "BYOC-I" di Explorer Pane. Input Run dan Reset harus "0" untuk bermula. Dengan menggunakan Poke Tool, ubah semula Reset ke "1" kemudian kembali ke "0". Ini menjadikan alamat permulaan 0x0000 dan menyiapkan litar BYOC-I untuk pelaksanaan. Sekarang tekan input Run ke "1" dan program akan dijalankan. (Catatan: Anda perlu mengetuk Control-K sekali untuk memulakan jam Logisim. Ini adalah ciri yang membolehkan anda menghentikan jam Logisim dan melangkah melalui program dengan mengetuk Control-T berulang kali. Cubalah kadang-kadang!)

Jam Logisim diatur untuk pelbagai frekuensi. Seperti yang dimuat turun, ia adalah 8 Hz (8 kitaran sesaat). Cara komputer BYOC-I dirancang, setiap arahan memerlukan empat pusingan jam untuk diselesaikan. Jadi, untuk mengira kelajuan BYOC-I, bahagikan frekuensi jam dengan 4. Pada 8 Hz, kelajuannya adalah 2 arahan sesaat. Anda boleh menukar jam dengan mengklik "Simulasikan" pada bar alat dan memilih "Tick Frequency". Julat kemungkinan ialah 0.25 Hz hingga 4100 Hz. Kelajuan perlahan pada 8 Hz dipilih supaya anda dapat melihat kiraan dalam daftar A.

Kelajuan maksimum simulasi BYOC-I (~ 1000 arahan sesaat) sangat perlahan berbanding komputer moden. Versi perkakasan komputer BYOC yang dijelaskan dalam buku saya melaksanakan lebih daripada 12 juta arahan sesaat!

Saya harap Instructable ini telah mengetepikan pengaturcaraan bahasa mesin dan memberi anda gambaran tentang bagaimana komputer berfungsi pada tahap paling asas. Untuk mendapatkan pemahaman anda, cuba kodkan dua program di bawah ini.

1. Tulis program yang bermula pada pukul 5 dan hitung hingga 0. (ANS. Count5to0.txt di bawah)
2. Bermula pada 2, hitung dengan 3 hingga jumlahnya melebihi 7. Anda boleh melakukan sedikit aritmetik mental, periksa 8 mengetahui bahawa ia akan tiba di sana kemudian mulakan semula. Tuliskan program anda dengan cara yang lebih umum yang benar-benar menguji jika kiraan "melebihi" nombor tertentu. Petunjuk: Terokai apa yang berlaku apabila tolak menghasilkan nilai negatif, misalnya 8 - 9 = -1 misalnya. Kemudian bereksperimen dengan logik DAN untuk menguji sama ada MSB dalam nombor 8-bit adalah "1". (ANS. MelebihiCount.txt)

Bolehkah anda memikirkan masalah mencabar lain untuk komputer BYOC-I? Memandangkan keterbatasannya, apa lagi yang dapat dilakukannya? Kongsikan pengalaman anda dengan saya di [email protected]. Sekiranya anda berminat untuk mengkod mikropemproses, lihat laman web saya www.whippleway.com. Di sana saya membawa pengekodan mesin ke pemproses moden seperti siri Mega ATMEL yang digunakan di Arduinos.