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【System Software】 Chapter 2 - Assembler

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Role of Assembler

Basic SIC assembler directive

指示(directive)與指令(instruction)不同的是，「指令」為讓CPU可以實際執行的命令（e.g. LDA, ADD…）；而「指示」並非真正的指令，主要是為了告訴Assembler要做什麼事（e.g. 保留空間、程式開始與結束…）

  • START, END 程式開始與結束
    • e.g. START 1000 => 代表此程式從記憶體位址0x1000開始（如下圖）
  • WORD 宣告一個Word的標籤做為常數使用
  • BYTE 宣告數個Byte的標籤做為常數使用
  • RESW 保留一個Word的空間當作變數使用
  • RESB 保留數個Byte的空間當作變數使用
  • p.s. 常數：不可修改；變數：可修改（後來再賦予值）

SIC Code Example (含Object Code)

Fundamental functions of assembler

  1. 將 助憶碼(mnemonic operation codes) 轉換成機器碼
    • e.g. LDA => 0x00
  2. 將 符號運算元(symbolic operands) 轉換為對應的記憶體位址
    • e.g. RDREC => 0x2039
  3. 依照指令格式建立指令
  4. 將常數資料轉換成機器內部的表示方式
    • e.g. EOF BYTE C'EOF' => 454F46
  5. 產生目的碼程式 (Object program) 和組譯列表

obj檔內容（皆以16進制表示）

下圖為上面範例放入obj檔的樣子

其中：

  • record (每行首個字元)
    • H (Header)：Obj檔第一行
      • 該行第2~7個字元：程式名稱
      • 該行第8~13個字元：程式起始位址
      • 該行第14~19個字元：程式總共使用的記憶體長度
        • 以上圖為例的話，2079-1000+1=107A
    • T (Text)：指令碼
      • 該行第2~7個字元：該行的起始位址
      • 該行第8~9個字元：該行長度
      • 該行10~69個字元：Object Code，以16進制表示
      • OBJ檔中，Object Code每Byte為2字元，因此每行最多只能放30 Bytes
        • (69-10+1)/2 = 30
        • 指令普遍為格式3，指令碼為6個字元，則普遍情況下，該行最多只能存放(69-10+1)/6=10個指令
    • E (End)：Obj檔最後一行
      • 該行第2~7個字元：程式中第一個可執行指令的位址

Address Translation Problem

Forward reference (前向參考問題)
  • 組譯時會遇到的問題
  • 參考的標籤位於該行後方（尚未定義）
Solution : Two passes assembler
  • Pass 1
    • 分配記憶體位址給程式中每一行指令
    • 判斷指令長度(透過OPTAB)
    • 計算LOCCTR
    • 儲存所有標籤(Labels)的位址到SYMTAB
    • 對一些指示要進行處理
  • Pass 2
    • 透過SYMTAB，帶入Pass 1沒有處理的symbol
    • 透過OPTABLE產生機器碼
    • 藉由BYTE, WORD定義，生成常數標籤的數值
    • 寫入obj檔和組譯列表
細節

  • 運算碼表 (Operation Code Table, OPTAB)
    • 儲存助憶指令與機器碼之關連
    • 使用Hash Table，使用助憶碼作為key
    • Pass 1時用來檢驗運算碼及計算指令長度
    • Pass 2時用來轉換運算碼至機器碼
    • Static結構
  • 符號表 (Symbol Table, SYMTAB)
    • 儲存Labels與其對應記憶體位址
    • 包含Labels名稱、位址、長度、型態和error flags
    • 使用Hash Table加速
    • Dynamic結構
  • 程式計數器 (Location Counter, LOCCTR)
    • 初始值為START指派的值
    • 記錄下一個指令的位址
  • Intermediate file
    • 由pass1寫入並當pass2的input
    • 包含：
      • 在Pass 1所得到的記憶體位址
      • 錯誤指示（避免Pass 1發現錯，卻還進入Pass 2）

一些SIC/XE指令符號代表的定址模式

  • 定址模式請參考這裡
  • +: Extended Addressing Mode
    • e.g. +JSUB
  • #: Immediate Addressing Mode
    • e.g. LDA #3
  • @: Indirect Addressing Mode
    • e.g. J @RETADR
  • ,X: Indexing Addressing Mode
    • e.g. LDA ARRAY, X
  • 如沒以上符號
    • 原則上，組譯時先嘗試使用PC相對定址
    • 若超出範圍則試著使用Base定址
    • 若兩者都不適用則會有錯誤訊息

Program Relocation (程式重新定址問題)

  • SIC有一個absolute loader (絕對載入器)
    • 程式必須被載入到指定的起始位址
    • 如果被載入到與指定的不同，則指令的位址需要更改
  • 因OS記憶體配置較彈性，因此程式每次執行可能會被放在不同的起始位址
Relocatable program
  • Assembler無法自己改變記憶體位址
    • 但可透過OBJ檔告訴loader記憶體位址需要被修正。
  • 會受影響的指令碼（需被Relocate的指令）
    • SIC版本
      • 常數資料的指令碼絕對不會影響
        • e.g. EOF BYTE C'EOF' => 454F46
      • 大多指令都是直接定址，因此幾乎都會影響
      • 所以暫時逃避不談xD
    • SIC/XE版本
      • 只有Extended定址會受影響，因為其他定址模式都是相對的
    • 簡單來說，相對定址和常數資料的指令碼不受影響
  • OBJ檔中的修正方式：
    • 使用record
      • M (Modification)：修正會放在E record前
        • 該行第2~7個字元：需修改的位址欄位與程式起始位址的距離
        • 該行第8~9個字元：修正長度（以Nibble為單位，1 Nibble = 0.5 Byte）
      • e.g. 有一XE的obj檔如下
        • 標示如上圖所示，每兩個16進制字元為1 Byte
          • 因此藍標，M 000007 05
            • 去Relocation相對程式起始位址第7個Byte
            • 並修正5個Nibbles（2.5個Bytes）
            • 第7個Byte是10，那為何是從0開始取5 Nibbles，而不是從1開始取？
              • 原因：因為存放在記憶體的方式是littleEndian，所以1個Nibble是從第7個Byte的後面開始算
          • 其他以此類推

Sysmbol-Defining Statements

Literals

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