minsk.c

   1 /*
   2  *      Minsk-2 Emulator
   3  *
   4  *      (c) 2010 Martin Mares <mj@ucw.cz>
   5  */
   6
   7 /*
   8  * TODO:
   9  *      - time limit
  10  *      - error messages
  11  *      - debugging/play mode
  12  *      - implement printing
  13  *      - floating point?
  14  *      - we probably have to disable NOP
  15  */
  16
  17 #include <stdio.h>
  18 #include <string.h>
  19 #include <stdlib.h>
  20 #include <assert.h>
  21
  22 static int trace = 3;
  23
  24 // Minsk-2 has 37-bit words in sign-magnitude representation (bit 36 = sign)
  25 typedef unsigned long long int word;
  26
  27 #define WORD_MASK 01777777777777ULL
  28 #define SIGN_MASK 01000000000000ULL
  29 #define  VAL_MASK 00777777777777ULL
  30
  31 static int wsign(word w)
  32 {
  33   return (w & SIGN_MASK) ? -1 : 1;
  34 }
  35
  36 static word wabs(word w)
  37 {
  38   return w & VAL_MASK;
  39 }
  40
  41 #define WF(w) (wsign(w) < 0 ? '-' : '+'), wabs(w)
  42
  43 static long long wtoll(word w)
  44 {
  45   if (wsign(w) < 0)
  46     return -wabs(w);
  47   else
  48     return wabs(w);
  49 }
  50
  51 static word wfromll(long long x)
  52 {
  53   word w = ((x < 0) ? -x : x) & VAL_MASK;
  54   if (x < 0)
  55     w |= SIGN_MASK;
  56   return w;
  57 }
  58
  59 static double wtofrac(word w)
  60 {
  61   return (double)wtoll(w) / (double)(1ULL << 36);
  62 }
  63
  64 static word wfromfrac(double d)
  65 {
  66   return wfromll((long long)(d * (double)(1ULL << 36)));
  67 }
  68
  69 static int inrange(long long x)
  70 {
  71   return (x >= -(long long)VAL_MASK && x <= (long long)VAL_MASK);
  72 }
  73
  74 static int fracinrange(double d)
  75 {
  76   return (d > -1. && d < 1.);
  77 }
  78
  79 static int wexp(word w)
  80 {
  81   int exp = w & 077;
  82   return (w & 0100 ? -exp : exp);
  83 }
  84
  85 static word mem[4096];
  86
  87 static word rd(int addr)
  88 {
  89   word val = addr ? mem[addr] : 0;
  90   if (trace > 2)
  91     printf("\tRD %04o = %c%012llo\n", addr, WF(val));
  92   return val;
  93 }
  94
  95 static void wr(int addr, word val)
  96 {
  97   assert(!(val & ~(WORD_MASK)));
  98   if (trace > 2)
  99     printf("\tWR %04o = %c%012llo\n", addr, WF(val));
 100   mem[addr] = val;
 101 }
 102
 103 static int lino;
 104
 105 static void parse_error(char *msg)
 106 {
 107   printf("Ошибка входа (стр. %d): %s\n", lino, msg);
 108   exit(1);
 109 }
 110
 111 static void parse_in(void)
 112 {
 113   char line[80];
 114   int addr = 0;
 115
 116   while (fgets(line, sizeof(line), stdin))
 117     {
 118       lino++;
 119       char *eol = strchr(line, '\n');
 120       if (!eol)
 121         parse_error("Строка слишком долгая");
 122       *eol = 0;
 123
 124       char *c = line;
 125       if (c[0] == '@')
 126         {
 127           c++;
 128           addr = 0;
 129           for (int i=0; i<4; i++)
 130             {
 131               while (*c == ' ')
 132                 c++;
 133               if (*c >= '0' && *c <= '7')
 134                 addr = 8*addr + *c++ - '0';
 135               else
 136                 parse_error("Плохая цифва");
 137             }
 138           while (*c == ' ')
 139             c++;
 140           if (*c)
 141             parse_error("Адрес слишком долгий");
 142           continue;
 143         }
 144
 145       word w = 0;
 146       if (*c == '-')
 147         w = 1;
 148       else if (*c != '+')
 149         parse_error("Плохой знак");
 150       c++;
 151       for (int i=0; i<12; i++)
 152         {
 153           while (*c == ' ')
 154             c++;
 155           if (*c >= '0' && *c <= '7')
 156             w = 8*w + *c++ - '0';
 157           else
 158             parse_error("Плохая цифва");
 159         }
 160       while (*c == ' ')
 161         c++;
 162       if (*c)
 163         parse_error("Номер слишком долгий");
 164       wr(addr++, w);
 165       addr &= 07777;
 166     }
 167 }
 168
 169 static word acc;
 170 static word r1, r2, current_ins;
 171 static int flag_zero = 0;
 172 static int ip = 00050;                  // Standard program start location
 173 static int prev_ip;
 174
 175 static void stop(char *reason)
 176 {
 177   printf("MACHINE STOPPED -- %s\n", reason);
 178   printf("IP:%04o ACC:%c%012llo R1:%c%012llo R2:%c%012llo\n", prev_ip, WF(acc), WF(r1), WF(r2));
 179   exit(0);
 180 }
 181
 182 static void over(void)
 183 {
 184   stop("OVERFLOW");
 185 }
 186
 187 static void nofpu(void)
 188 {
 189   acc = current_ins;
 190   stop("NO FPU");
 191 }
 192
 193 static void notimp(void)
 194 {
 195   acc = current_ins;
 196   stop("NOT IMPLEMENTED");
 197 }
 198
 199 static void noins(void)
 200 {
 201   acc = current_ins;
 202   stop("ILLEGAL INSTRUCTION");
 203 }
 204
 205 static void run(void)
 206 {
 207   for (;;)
 208     {
 209       r2 = acc;
 210       prev_ip = ip;
 211       word w = mem[ip];
 212       current_ins = w;
 213
 214       int op = (w >> 30) & 0177;        // Operation code
 215       int ax = (w >> 28) & 3;           // Address extensions not supported
 216       int ix = (w >> 24) & 15;          // Indexing
 217       int x = (w >> 12) & 07777;        // Operands (original form)
 218       int y = w & 07777;
 219       int xi=x, yi=y;                   // (indexed form)
 220       if (trace)
 221         printf("@%04o  %c%02o %02o %04o %04o\n",
 222           ip,
 223           (w & SIGN_MASK) ? '-' : '+',
 224           (int)((w >> 30) & 077),
 225           (int)((w >> 24) & 077),
 226           x,
 227           y);
 228       if (ix)
 229         {
 230           if (op != 0120)
 231             {
 232               word i = rd(ix);
 233               xi = (xi + (int)((i >> 12) & 07777)) & 07777;
 234               yi = (yi + (int)(i & 07777)) & 07777;
 235               if (trace > 2)
 236                 printf("\tIndexing -> %04o %04o\n", xi, yi);
 237             }
 238         }
 239       ip = (ip+1) & 07777;
 240
 241       /* Arithmetic operations */
 242
 243       word a, b, c;
 244       long long aa, bb, cc;
 245       double ad, bd, cd;
 246       int i;
 247
 248       auto void afetch(void);
 249       void afetch(void)
 250         {
 251           if (op & 2)
 252             a = r2;
 253           else
 254             a = rd(yi);
 255           b = r1 = rd(xi);
 256         }
 257
 258       auto void astore(word result);
 259       void astore(word result)
 260         {
 261           acc = result;
 262           if (op & 1)
 263             wr(yi, acc);
 264         }
 265
 266       if (ax)
 267         op = -1;
 268       switch (op)
 269         {
 270         case 000:               // NOP
 271           break;
 272         case 004 ... 007:       // XOR
 273           afetch();
 274           astore(a^b);
 275           break;
 276         case 010 ... 013:       // FIX addition
 277           afetch();
 278           cc = wtoll(a) + wtoll(b);
 279           if (!inrange(cc))
 280             over();
 281           astore(wfromll(cc));
 282           break;
 283         case 014 ... 017:       // FP addition
 284           nofpu();
 285         case 020 ... 023:       // FIX subtraction
 286           afetch();
 287           cc = wtoll(a) - wtoll(b);
 288           if (!inrange(cc))
 289             over();
 290           astore(wfromll(cc));
 291           break;
 292         case 024 ... 027:       // FP subtraction
 293           nofpu();
 294         case 030 ... 033:       // FIX multiplication
 295           afetch();
 296           // XXX: We ignore the rounding mode settings
 297           cd = wtofrac(a) * wtofrac(b);
 298           astore(wfromfrac(cd));
 299           break;
 300         case 034 ... 037:       // FP multiplication
 301           nofpu();
 302         case 040 ... 043:       // division
 303           afetch();
 304           ad = wtofrac(a);
 305           bd = wtofrac(b);
 306           if (!wabs(b))
 307             stop("DIVISION BY ZERO");
 308           cd = ad / bd;
 309           if (!fracinrange(cd))
 310             over();
 311           astore(wfromfrac(cd));
 312           break;
 313         case 044 ... 047:       // FP division
 314           nofpu();
 315         case 050 ... 053:       // FIX subtraction of abs values
 316           afetch();
 317           cc = wabs(a) - wabs(b);
 318           if (!inrange(cc))
 319             over();
 320           astore(wfromll(cc));
 321           break;
 322         case 054 ... 057:       // FP subtraction of abs values
 323           nofpu();
 324         case 060 ... 063:       // Shift logical
 325           afetch();
 326           i = wexp(b);
 327           if (i <= -37 || i >= 37)
 328             astore(0);
 329           else if (i >= 0)
 330             astore((a << i) & WORD_MASK);
 331           else
 332             astore(a >> (-i));
 333           break;
 334         case 064 ... 067:       // Shift arithmetical
 335           afetch();
 336           i = wexp(b);
 337           aa = wabs(a);
 338           if (i <= -36 || i >= 36)
 339             cc = 0;
 340           else if (i >= 0)
 341             cc = (aa << i) & VAL_MASK;
 342           else
 343             cc = aa >> (-i);
 344           astore((a & SIGN_MASK) | wfromll(cc));
 345           break;
 346         case 070 ... 073:       // And
 347           afetch();
 348           astore(a&b);
 349           break;
 350         case 074 ... 077:       // Or
 351           afetch();
 352           astore(a|b);
 353           break;
 354
 355         case 0100:              // Halt
 356           r1 = rd(x);
 357           acc = rd(y);
 358           stop("HALTED");
 359         case 0103:              // I/O magtape
 360           notimp();
 361         case 0104:              // Disable rounding
 362           notimp();
 363         case 0105:              // Enable rounding
 364           notimp();
 365         case 0106:              // Interrupt control
 366           notimp();
 367         case 0107:              // Reverse tape
 368           notimp();
 369         case 0110:              // Move
 370           wr(yi, r1 = acc = rd(xi));
 371           break;
 372         case 0111:              // Move negative
 373           wr(yi, acc = (r1 = rd(xi)) ^ SIGN_MASK);
 374           break;
 375         case 0112:              // Move absolute value
 376           wr(yi, acc = (r1 = rd(xi)) & VAL_MASK);
 377           break;
 378         case 0113:              // Read from keyboard
 379           notimp();
 380         case 0114:              // Copy sign
 381           wr(yi, acc = rd(yi) ^ ((r1 = rd(xi)) & SIGN_MASK));
 382           break;
 383         case 0115:              // Read code from R1 (obscure)
 384           notimp();
 385         case 0116:              // Copy exponent
 386           nofpu();
 387         case 0117:              // I/O teletype
 388           notimp();
 389         case 0120:              // Loop
 390           if (!ix)
 391             noins();
 392           a = r1 = rd(ix);
 393           aa = (a >> 24) & 017777;
 394           if (!aa)
 395             break;
 396           b = rd(y);            // (a mountain range near Prague)
 397           acc = ((aa-1) << 24) |
 398                 (((((a >> 12) & 07777) + (b >> 12) & 07777) & 07777) << 12) |
 399                 (((a & 07777) + (b & 07777)) & 07777);
 400           wr(ix, acc);
 401           ip = x & 07777;
 402           break;
 403         case 0130:              // Jump
 404           wr(y, r2);
 405           ip = x & 07777;
 406           break;
 407         case 0131:              // Jump to subroutine
 408           wr(y, (030ULL << 30) | ((ip & 07777ULL) << 12));
 409           ip = x & 07777;
 410           break;
 411         case 0132:              // Jump if positive
 412           if (wsign(r2) >= 0)
 413             ip = x & 07777;
 414           else
 415             ip = y & 07777;
 416           break;
 417         case 0133:              // Jump if overflow
 418           // Since we always trap on overflow, this instruction always jumps to the 1st address
 419           ip = x & 07777;
 420           break;
 421         case 0134:              // Jump if zero
 422           if (flag_zero)
 423             ip = y & 07777;
 424           else
 425             ip = x & 07777;
 426           break;
 427         case 0135:              // Jump if key pressed
 428           // No keys are ever pressed, so always jump to 2nd
 429           ip = y & 07777;
 430           break;
 431         case 0136:              // Interrupt masking
 432           notimp();
 433         case 0137:              // Used only when reading from tape
 434           notimp();
 435         case 0140 ... 0147:     // I/O
 436           notimp();
 437         case 0150 ... 0154:     // I/O
 438           notimp();
 439         case 0160 ... 0163:     // I/O
 440           notimp();
 441         case 0170:              // FIX multiplication, bottom part
 442           afetch();
 443           if (wtofrac(a) * wtofrac(b) >= .1/(1ULL << 32))
 444             over();
 445           acc = wfromll(((unsigned long long)wabs(a) * (unsigned long long)wabs(b)) & VAL_MASK);
 446           // XXX: What should be the sign? The book does not define that.
 447           break;
 448         case 0171:              // Modulo
 449           afetch();
 450           aa = wabs(a);
 451           bb = wabs(b);
 452           if (!bb)
 453             stop("DIVISION BY ZERO");
 454           cc = aa % bb;
 455           if (wsign(b) < 0)
 456             cc = -cc;
 457           acc = wfromll(cc);
 458           break;
 459         case 0172:              // Add exponents
 460           nofpu();
 461         case 0173:              // Sub exponents
 462           nofpu();
 463         case 0174:              // Addition in one's complement
 464           a = r1 = rd(xi);
 465           b = rd(yi);
 466           c = a + b;
 467           if (c > VAL_MASK)
 468             c = c - VAL_MASK;
 469           wr(yi, c);
 470           // XXX: The effect on the accumulator is undocumented, but likely to be as follows:
 471           acc = c;
 472           break;
 473         case 0175:              // Normalization
 474           nofpu();
 475         case 0176:              // Population count
 476           a = r1 = rd(xi);
 477           cc = 0;
 478           for (int i=0; i<36; i++)
 479             if (a & (1ULL << i))
 480               cc++;
 481           // XXX: Guessing that acc gets a copy of the result
 482           acc = wfromll(cc);
 483           wr(yi, acc);
 484           break;
 485         default:
 486           noins();
 487         }
 488
 489       flag_zero = !acc;
 490       if (trace > 1)
 491         printf("\tACC:%c%012llo R1:%c%012llo R2:%c%012llo Z:%d\n", WF(acc), WF(r1), WF(r2), flag_zero);
 492     }
 493 }
 494
 495 int main(void)
 496 {
 497   parse_in();
 498   run();
 499   return 0;
 500 }