minsk.c

   1 /*
   2  *      Minsk-2 Emulator
   3  *
   4  *      (c) 2010 Martin Mares <mj@ucw.cz>
   5  */
   6
   7 /*
   8  * Things that are not implemented:
   9  *
  10  *      - rounding modes
  11  *      - exact behavior of accumulator/R1/R2 (the manual lacks details)
  12  *      - exact behavior of negative zero
  13  *      - I/O instructions for devices that are not emulated (paper tape
  14  *        reader and puncher, card reader and puncher, magnetic tape unit)
  15  */
  16
  17 #define _GNU_SOURCE
  18 #define UNUSED __attribute__((unused))
  19
  20 #undef ENABLE_DAEMON_MODE
  21
  22 #include <stdio.h>
  23 #include <string.h>
  24 #include <stdlib.h>
  25 #include <stdarg.h>
  26 #include <inttypes.h>
  27 #include <assert.h>
  28 #include <math.h>
  29 #include <getopt.h>
  30
  31 static int trace;
  32 static int cpu_quota = -1;
  33 static int print_quota = -1;
  34 static void (*error_hook)(char *msg);
  35
  36 // Minsk-2 has 37-bit words in sign-magnitude representation (bit 36 = sign)
  37 typedef unsigned long long int word;
  38
  39 #define WORD_MASK 01777777777777ULL
  40 #define SIGN_MASK 01000000000000ULL
  41 #define  VAL_MASK 00777777777777ULL
  42
  43 static int wsign(word w)
  44 {
  45   return (w & SIGN_MASK) ? -1 : 1;
  46 }
  47
  48 static word wabs(word w)
  49 {
  50   return w & VAL_MASK;
  51 }
  52
  53 #define WF(w) (wsign(w) < 0 ? '-' : '+'), wabs(w)
  54
  55 static long long wtoll(word w)
  56 {
  57   if (wsign(w) < 0)
  58     return -wabs(w);
  59   else
  60     return wabs(w);
  61 }
  62
  63 static word wfromll(long long x)
  64 {
  65   word w = ((x < 0) ? -x : x) & VAL_MASK;
  66   if (x < 0)
  67     w |= SIGN_MASK;
  68   return w;
  69 }
  70
  71 static double wtofrac(word w)
  72 {
  73   return (double)wtoll(w) / (double)(1ULL << 36);
  74 }
  75
  76 static word wfromfrac(double d)
  77 {
  78   return wfromll((long long)(d * (double)(1ULL << 36)));
  79 }
  80
  81 static int int_in_range(long long x)
  82 {
  83   return (x >= -(long long)VAL_MASK && x <= (long long)VAL_MASK);
  84 }
  85
  86 static int frac_in_range(double d)
  87 {
  88   return (d > -1. && d < 1.);
  89 }
  90
  91 static int wexp(word w)
  92 {
  93   int exp = w & 077;
  94   return (w & 0100 ? -exp : exp);
  95 }
  96
  97 static word wputexp(word w, int exp)
  98 {
  99   return ((w & ~(word)0177) | ((exp < 0) ? 0100 | (-exp) : exp));
 100 }
 101
 102 static int wmanti(word w)
 103 {
 104   return ((w >> 8) & ((1 << 28) - 1));
 105 }
 106
 107 static double wtofloat(word w)
 108 {
 109   double x = wmanti(w);
 110   return ldexp(x, wexp(w) - 28);
 111 }
 112
 113 static int float_in_range(double x)
 114 {
 115   x = fabs(x);
 116   return (x <= ldexp((1 << 28) - 1, 63 - 28));
 117 }
 118
 119 static word wfromfloat(double x, int normalized)
 120 {
 121   word w = 0;
 122   if (x < 0)
 123     {
 124       w |= SIGN_MASK;
 125       x = -x;
 126     }
 127   int exp;
 128   double m = frexp(x, &exp);
 129   word mm = (word) ldexp(m, 28);
 130   if (exp > 63)
 131     assert(0);
 132   else if (exp < -63)
 133     {
 134       if (normalized || exp < -91)
 135         mm=0, exp=0;
 136       else
 137         {
 138           mm >>= -exp - 63;
 139           exp = -63;
 140         }
 141     }
 142   w |= mm << 8;
 143   if (exp < 0)
 144     {
 145       w |= 0100;
 146       exp = -exp;
 147     }
 148   w |= exp;
 149   return w;
 150 }
 151
 152 static word mem[4096];
 153
 154 static word rd(int addr)
 155 {
 156   word val = addr ? mem[addr] : 0;
 157   if (trace > 2)
 158     printf("\tRD %04o = %c%012llo\n", addr, WF(val));
 159   return val;
 160 }
 161
 162 static void wr(int addr, word val)
 163 {
 164   assert(!(val & ~(WORD_MASK)));
 165   if (trace > 2)
 166     printf("\tWR %04o = %c%012llo\n", addr, WF(val));
 167   mem[addr] = val;
 168 }
 169
 170 static int lino;
 171
 172 static void parse_error(char *msg)
 173 {
 174   if (error_hook)
 175     error_hook("Parse error");
 176   printf("Ошибка входа (стр. %d): %s\n", lino, msg);
 177   exit(0);
 178 }
 179
 180 static void parse_in(void)
 181 {
 182   char line[80];
 183   int addr = 0;
 184
 185   while (fgets(line, sizeof(line), stdin))
 186     {
 187       lino++;
 188       char *eol = strchr(line, '\n');
 189       if (!eol)
 190         parse_error("Строка слишком долгая");
 191       *eol = 0;
 192       if (eol > line && eol[-1] == '\r')
 193         *--eol = 0;
 194
 195       char *c = line;
 196       if (!c[0] || c[0] == ';')
 197         continue;
 198
 199       if (c[0] == '.')
 200         return;
 201
 202       if (c[0] == '@')
 203         {
 204           c++;
 205           addr = 0;
 206           for (int i=0; i<4; i++)
 207             {
 208               while (*c == ' ')
 209                 c++;
 210               if (*c >= '0' && *c <= '7')
 211                 addr = 8*addr + *c++ - '0';
 212               else
 213                 parse_error("Плохая цифра");
 214             }
 215           while (*c == ' ')
 216             c++;
 217           if (*c)
 218             parse_error("Адрес слишком долгий");
 219           continue;
 220         }
 221
 222       word w = 0;
 223       if (*c == '-')
 224         w = 1;
 225       else if (*c != '+')
 226         parse_error("Плохой знак");
 227       c++;
 228       for (int i=0; i<12; i++)
 229         {
 230           while (*c == ' ')
 231             c++;
 232           if (*c >= '0' && *c <= '7')
 233             w = 8*w + *c++ - '0';
 234           else
 235             parse_error("Плохая цифра");
 236         }
 237       while (*c == ' ')
 238         c++;
 239       if (*c)
 240         parse_error("Номер слишком долгий");
 241       wr(addr++, w);
 242       addr &= 07777;
 243     }
 244 }
 245
 246 static word acc;
 247 static word r1, r2, current_ins;
 248 static int ip = 00050;                  // Standard program start location
 249 static int prev_ip;
 250
 251 static void stop(char *reason, char *notice)
 252 {
 253   if (error_hook)
 254     error_hook(notice);
 255   printf("Машина остановлена -- %s\n", reason);
 256   printf("СчАК:%04o См:%c%012llo Р1:%c%012llo Р2:%c%012llo\n", prev_ip, WF(acc), WF(r1), WF(r2));
 257   exit(0);
 258 }
 259
 260 static void over(void)
 261 {
 262   stop("Аварийный останов", "Overflow");
 263 }
 264
 265 static void notimp(void)
 266 {
 267   acc = current_ins;
 268   stop("Устройство разбитое", "Not implemented");
 269 }
 270
 271 static void noins(void)
 272 {
 273   acc = current_ins;
 274   stop("Эту команду не знаю", "Illegal instruction");
 275 }
 276
 277 static uint16_t linebuf[128];
 278
 279 static uint16_t russian_chars[64] = {
 280         '0',    '1',    '2',    '3',    '4',    '5',    '6',    '7',    // 0x
 281         '8',    '9',    '+',    '-',    '/',    ',',    '.',    ' ',    // 1x
 282         0x2169, '^',    '(',    ')',    0x00d7, '=',    ';',    '[',    // 2x
 283         ']',    '*',    '`',    '\'',   0x2260, '<',    '>',    ':',    // 3x
 284         0x410,  0x411,  0x412,  0x413,  0x414,  0x415,  0x416,  0x417,  // 4x
 285         0x418,  0x419,  0x41a,  0x41b,  0x41c,  0x41d,  0x41e,  0x41f,  // 5x
 286         0x420,  0x421,  0x422,  0x423,  0x424,  0x425,  0x426,  0x427,  // 6x
 287         0x428,  0x429,  0x42b,  0x42c,  0x42d,  0x42e,  0x42f,  0x2013  // 7x
 288 };
 289
 290 static uint16_t latin_chars[64] = {
 291         '0',    '1',    '2',    '3',    '4',    '5',    '6',    '7',    // 0x
 292         '8',    '9',    '+',    '-',    '/',    ',',    '.',    ' ',    // 1x
 293         0x2169, '^',    '(',    ')',    0x00d7, '=',    ';',    '[',    // 2x
 294         ']',    '*',    '`',    '\'',   0x2260, '<',    '>',    ':',    // 3x
 295         'A',    'B',    'W',    'G',    'D',    'E',    'V',    'Z',    // 4x
 296         'I',    'J',    'K',    'L',    'M',    'N',    'O',    'P',    // 5x
 297         'R',    'S',    'T',    'U',    'F',    'H',    'C',    ' ',    // 6x
 298         ' ',    ' ',    'Y',    'X',    ' ',    ' ',    'Q',    0x2013  // 7x
 299 };
 300
 301 static void print_line(int r)
 302 {
 303   /*
 304    *  Meaning of bits of r:
 305    *    0 = perform line feed
 306    *    1 = clear buffer
 307    *    2 = actually print
 308    */
 309   if (r & 4)
 310     {
 311       if (print_quota > 0 && !--print_quota)
 312         stop("Бумага дошла - нужно ехать в Сибирь про новую", "Out of paper");
 313       for (int i=0; i<128; i++)
 314         {
 315           int ch = linebuf[i];
 316           if (!ch)
 317             ch = ' ';
 318           if (ch < 0x80)
 319             putchar(ch);
 320           else if (ch < 0x800)
 321             {
 322               putchar(0xc0 | (ch >> 6));
 323               putchar(0x80 | (ch & 0x3f));
 324             }
 325           else
 326             {
 327               putchar(0xe0 | (ch >> 12));
 328               putchar(0x80 | ((ch >> 6) & 0x3f));
 329               putchar(0x80 | (ch & 0x3f));
 330             }
 331         }
 332     }
 333   if (r & 2)
 334     memset(linebuf, 0, sizeof(linebuf));
 335   if (r & 1)
 336     putchar('\n');
 337   else if (r & 4)
 338     putchar('\r');
 339   fflush(stdout);
 340 }
 341
 342 static void print_ins(int x, int y)
 343 {
 344   word yy = rd(y);
 345   int pos = x & 0177;
 346   int r = (x >> 9) & 7;
 347
 348   if (x & 0400)
 349     {
 350       print_line(r);
 351       return;
 352     }
 353
 354   char *fmt;
 355   int bit = 37;
 356   int eat = 0;
 357   switch (r)
 358     {
 359     case 0:                             // Decimal float
 360       fmt = "+dddddddx+xbd";
 361       break;
 362     case 1:                             // Octal number
 363       fmt = "+oooooooooooo";
 364       break;
 365     case 2:                             // Decimal fixed
 366       fmt = "+ddddddddd";
 367       break;
 368     case 3:                             // Decimal unsigned
 369       fmt = "x ddddddddd";
 370       eat = 1;
 371       break;
 372     case 4:                             // One Russian symbol
 373       fmt = "xr";
 374       break;
 375     case 5:                             // Russian text
 376       fmt = "xrrrrrr";
 377       break;
 378     case 6:                             // One Latin symbol
 379       fmt = "xl";
 380       break;
 381     default:                            // Latin text
 382       fmt = "xllllll";
 383     }
 384
 385   while (*fmt)
 386     {
 387       int ch;
 388       switch (*fmt++)
 389         {
 390         case 'x':
 391           bit--;
 392           continue;
 393         case ' ':
 394           ch = ' ';
 395           break;
 396         case '+':
 397           bit--;
 398           ch = (yy & (1ULL << bit)) ? '-' : '+';
 399           break;
 400         case 'b':
 401           bit--;
 402           ch = '0' + ((yy >> bit) & 1);
 403           break;
 404         case 'o':
 405           bit -= 3;
 406           ch = '0' + ((yy >> bit) & 7);
 407           break;
 408         case 'd':
 409           bit -= 4;
 410           ch = '0' + ((yy >> bit) & 15);
 411           if (ch > '0' + 9)
 412             ch += 7;
 413           break;
 414         case 'r':
 415           bit -= 6;
 416           ch = russian_chars[(yy >> bit) & 077];
 417           break;
 418         case 'l':
 419           bit -= 6;
 420           ch = latin_chars[(yy >> bit) & 077];
 421           break;
 422         default:
 423           assert(0);
 424         }
 425
 426       if (eat && *fmt)
 427         {
 428           if (ch == '0' || ch == ' ')
 429             ch = ' ';
 430           else
 431             eat = 0;
 432         }
 433       linebuf[pos] = ch;
 434       pos = (pos+1) & 0177;
 435     }
 436   assert(bit >= 0);
 437 }
 438
 439 static void run(void)
 440 {
 441   for (;;)
 442     {
 443       r2 = acc;
 444       prev_ip = ip;
 445       word w = mem[ip];
 446       current_ins = w;
 447
 448       int op = (w >> 30) & 0177;        // Operation code
 449       int ax = (w >> 28) & 3;           // Address extensions not supported
 450       int ix = (w >> 24) & 15;          // Indexing
 451       int x = (w >> 12) & 07777;        // Operands (original form)
 452       int y = w & 07777;
 453       int xi=x, yi=y;                   // (indexed form)
 454       if (trace)
 455         printf("@%04o  %c%02o %02o %04o %04o\n",
 456           ip,
 457           (w & SIGN_MASK) ? '-' : '+',
 458           (int)((w >> 30) & 077),
 459           (int)((w >> 24) & 077),
 460           x,
 461           y);
 462       if (ix)
 463         {
 464           if (op != 0120)
 465             {
 466               word i = rd(ix);
 467               xi = (xi + (int)((i >> 12) & 07777)) & 07777;
 468               yi = (yi + (int)(i & 07777)) & 07777;
 469               if (trace > 2)
 470                 printf("\tIndexing -> %04o %04o\n", xi, yi);
 471             }
 472         }
 473       ip = (ip+1) & 07777;
 474
 475       if (cpu_quota > 0 && !--cpu_quota)
 476         stop("Тайм-аут", "CPU quota exceeded");
 477
 478       /* Arithmetic operations */
 479
 480       word a, b, c;
 481       long long aa, bb, cc;
 482       double ad, bd;
 483       int i;
 484
 485       auto void afetch(void);
 486       void afetch(void)
 487         {
 488           if (op & 2)
 489             a = r2;
 490           else
 491             a = rd(yi);
 492           b = r1 = rd(xi);
 493         }
 494
 495       auto void astore(word result);
 496       void astore(word result)
 497         {
 498           acc = result;
 499           if (op & 1)
 500             wr(yi, acc);
 501         }
 502
 503       auto void astore_int(long long x);
 504       void astore_int(long long x)
 505         {
 506           if (!int_in_range(x))
 507             over();
 508           astore(wfromll(x));
 509         }
 510
 511       auto void astore_frac(double f);
 512       void astore_frac(double f)
 513         {
 514           if (!frac_in_range(f))
 515             over();
 516           astore(wfromfrac(f));
 517         }
 518
 519       auto void astore_float(double f);
 520       void astore_float(double f)
 521         {
 522           if (!float_in_range(f))
 523             over();
 524           astore(wfromfloat(f, 0));
 525         }
 526
 527       if (ax)
 528         op = -1;
 529       switch (op)
 530         {
 531         case 000:               // NOP
 532           break;
 533         case 004 ... 007:       // XOR
 534           afetch();
 535           astore(a^b);
 536           break;
 537         case 010 ... 013:       // FIX addition
 538           afetch();
 539           astore_int(wtoll(a) + wtoll(b));
 540           break;
 541         case 014 ... 017:       // FP addition
 542           afetch();
 543           astore_float(wtofloat(a) + wtofloat(b));
 544           break;
 545         case 020 ... 023:       // FIX subtraction
 546           afetch();
 547           astore_int(wtoll(a) - wtoll(b));
 548           break;
 549         case 024 ... 027:       // FP subtraction
 550           afetch();
 551           astore_float(wtofloat(a) - wtofloat(b));
 552           break;
 553         case 030 ... 033:       // FIX multiplication
 554           afetch();
 555           astore_frac(wtofrac(a) * wtofrac(b));
 556           break;
 557         case 034 ... 037:       // FP multiplication
 558           afetch();
 559           astore_float(wtofloat(a) * wtofloat(b));
 560           break;
 561         case 040 ... 043:       // FIX division
 562           afetch();
 563           ad = wtofrac(a);
 564           bd = wtofrac(b);
 565           if (!wabs(b))
 566             over();
 567           astore_frac(ad / bd);
 568           break;
 569         case 044 ... 047:       // FP division
 570           afetch();
 571           ad = wtofloat(a);
 572           bd = wtofloat(b);
 573           if (!bd || wexp(b) < -63)
 574             over();
 575           astore_float(ad / bd);
 576           break;
 577         case 050 ... 053:       // FIX subtraction of abs values
 578           afetch();
 579           astore_int(wabs(a) - wabs(b));
 580           break;
 581         case 054 ... 057:       // FP subtraction of abs values
 582           afetch();
 583           astore_float(fabs(wtofloat(a)) - fabs(wtofloat(b)));
 584           break;
 585         case 060 ... 063:       // Shift logical
 586           afetch();
 587           i = wexp(b);
 588           if (i <= -37 || i >= 37)
 589             astore(0);
 590           else if (i >= 0)
 591             astore((a << i) & WORD_MASK);
 592           else
 593             astore(a >> (-i));
 594           break;
 595         case 064 ... 067:       // Shift arithmetical
 596           afetch();
 597           i = wexp(b);
 598           aa = wabs(a);
 599           if (i <= -36 || i >= 36)
 600             cc = 0;
 601           else if (i >= 0)
 602             cc = (aa << i) & VAL_MASK;
 603           else
 604             cc = aa >> (-i);
 605           astore((a & SIGN_MASK) | wfromll(cc));
 606           break;
 607         case 070 ... 073:       // And
 608           afetch();
 609           astore(a&b);
 610           break;
 611         case 074 ... 077:       // Or
 612           afetch();
 613           astore(a|b);
 614           break;
 615
 616         case 0100:              // Halt
 617           r1 = rd(x);
 618           acc = rd(y);
 619           stop("Останов машины", "Halted");
 620         case 0103:              // I/O magtape
 621           notimp();
 622         case 0104:              // Disable rounding
 623           notimp();
 624         case 0105:              // Enable rounding
 625           notimp();
 626         case 0106:              // Interrupt control
 627           notimp();
 628         case 0107:              // Reverse tape
 629           notimp();
 630         case 0110:              // Move
 631           wr(yi, r1 = acc = rd(xi));
 632           break;
 633         case 0111:              // Move negative
 634           wr(yi, acc = (r1 = rd(xi)) ^ SIGN_MASK);
 635           break;
 636         case 0112:              // Move absolute value
 637           wr(yi, acc = (r1 = rd(xi)) & VAL_MASK);
 638           break;
 639         case 0113:              // Read from keyboard
 640           notimp();
 641         case 0114:              // Copy sign
 642           wr(yi, acc = rd(yi) ^ ((r1 = rd(xi)) & SIGN_MASK));
 643           break;
 644         case 0115:              // Read code from R1 (obscure)
 645           notimp();
 646         case 0116:              // Copy exponent
 647           wr(yi, acc = wputexp(rd(yi), wexp(r1 = rd(xi))));
 648           break;
 649         case 0117:              // I/O teletype
 650           notimp();
 651         case 0120:              // Loop
 652           if (!ix)
 653             noins();
 654           a = r1 = rd(ix);
 655           aa = (a >> 24) & 017777;
 656           if (!aa)
 657             break;
 658           b = rd(y);            // (a mountain range near Prague)
 659           acc = ((aa-1) << 24) |
 660                 (((((a >> 12) & 07777) + (b >> 12) & 07777) & 07777) << 12) |
 661                 (((a & 07777) + (b & 07777)) & 07777);
 662           wr(ix, acc);
 663           ip = x;
 664           break;
 665         case 0130:              // Jump
 666           wr(y, r2);
 667           ip = x;
 668           break;
 669         case 0131:              // Jump to subroutine
 670           wr(y, acc = ((030ULL << 30) | ((ip & 07777ULL) << 12)));
 671           ip = x;
 672           break;
 673         case 0132:              // Jump if positive
 674           if (wsign(r2) >= 0)
 675             ip = x;
 676           else
 677             ip = y;
 678           break;
 679         case 0133:              // Jump if overflow
 680           // Since we always trap on overflow, this instruction always jumps to the 1st address
 681           ip = x;
 682           break;
 683         case 0134:              // Jump if zero
 684           if (!wabs(r2))
 685             ip = y;
 686           else
 687             ip = x;
 688           break;
 689         case 0135:              // Jump if key pressed
 690           // No keys are ever pressed, so always jump to 2nd
 691           ip = y;
 692           break;
 693         case 0136:              // Interrupt masking
 694           notimp();
 695         case 0137:              // Used only when reading from tape
 696           notimp();
 697         case 0140 ... 0147:     // I/O
 698           notimp();
 699         case 0150 ... 0154:     // I/O
 700           notimp();
 701         case 0160 ... 0161:     // I/O
 702           notimp();
 703         case 0162:              // Printing
 704           print_ins(x, y);
 705           break;
 706         case 0163:              // I/O
 707           notimp();
 708         case 0170:              // FIX multiplication, bottom part
 709           afetch();
 710           if (wtofrac(a) * wtofrac(b) >= .1/(1ULL << 32))
 711             over();
 712           acc = wfromll(((unsigned long long)wabs(a) * (unsigned long long)wabs(b)) & VAL_MASK);
 713           // XXX: What should be the sign? The book does not define that.
 714           break;
 715         case 0171:              // Modulo
 716           afetch();
 717           aa = wabs(a);
 718           bb = wabs(b);
 719           if (!bb)
 720             over();
 721           cc = aa % bb;
 722           if (wsign(b) < 0)
 723             cc = -cc;
 724           acc = wfromll(cc);
 725           break;
 726         case 0172:              // Add exponents
 727           a = r1 = rd(xi);
 728           b = rd(yi);
 729           i = wexp(a) + wexp(b);
 730           if (i < -63 || i > 63)
 731             over();
 732           acc = wputexp(b, i);
 733           wr(yi, acc);
 734           break;
 735         case 0173:              // Sub exponents
 736           a = r1 = rd(xi);
 737           b = rd(yi);
 738           i = wexp(b) - wexp(a);
 739           if (i < -63 || i > 63)
 740             over();
 741           acc = wputexp(b, i);
 742           wr(yi, acc);
 743           break;
 744         case 0174:              // Addition in one's complement
 745           a = r1 = rd(xi);
 746           b = rd(yi);
 747           c = a + b;
 748           if (c > VAL_MASK)
 749             c = c - VAL_MASK;
 750           wr(yi, c);
 751           // XXX: The effect on the accumulator is undocumented, but likely to be as follows:
 752           acc = c;
 753           break;
 754         case 0175:              // Normalization
 755           a = r1 = rd(xi);
 756           if (!wabs(a))
 757             {
 758               wr(yi, 0);
 759               wr((yi+1) & 07777, 0);
 760               acc = 0;
 761             }
 762           else
 763             {
 764               i = 0;
 765               acc = a & SIGN_MASK;
 766               a &= VAL_MASK;
 767               while (!(a & (SIGN_MASK >> 1)))
 768                 {
 769                   a <<= 1;
 770                   i++;
 771                 }
 772               acc |= a;
 773               wr(yi, acc);
 774               wr((yi+1) & 07777, i);
 775             }
 776           break;
 777         case 0176:              // Population count
 778           a = r1 = rd(xi);
 779           cc = 0;
 780           for (int i=0; i<36; i++)
 781             if (a & (1ULL << i))
 782               cc++;
 783           // XXX: Guessing that acc gets a copy of the result
 784           acc = wfromll(cc);
 785           wr(yi, acc);
 786           break;
 787         default:
 788           noins();
 789         }
 790
 791       if (trace > 1)
 792         printf("\tACC:%c%012llo R1:%c%012llo R2:%c%012llo\n", WF(acc), WF(r1), WF(r2));
 793     }
 794 }
 795
 796 static void die(char *msg)
 797 {
 798   fprintf(stderr, "minsk: ");
 799   fprintf(stderr, msg);
 800   fputc('\n', stderr);
 801   exit(1);
 802 }
 803
 804 /*** Daemon interface ***/
 805
 806 #ifdef ENABLE_DAEMON_MODE
 807
 808 /*
 809  * The daemon mode was a quick hack for the Po drate contest.
 810  * Most parameters are hard-wired.
 811  */
 812
 813 #include <unistd.h>
 814 #include <errno.h>
 815 #include <time.h>
 816 #include <syslog.h>
 817 #include <sys/signal.h>
 818 #include <sys/wait.h>
 819 #include <sys/poll.h>
 820 #include <sys/socket.h>
 821 #include <netinet/in.h>
 822 #include <arpa/inet.h>
 823
 824 #if 0
 825 #define DTRACE(msg, args...) fprintf(stderr, msg "\n", ##args)
 826 #define DLOG(msg, args...) fprintf(stderr, msg "\n", ##args)
 827 #else
 828 #define DTRACE(msg, args...) do { } while(0)
 829 #define DLOG(msg, args...) syslog(LOG_INFO, msg, ##args)
 830 #endif
 831
 832 #define MAX_CONNECTIONS 50              // Per daemon
 833 #define MAX_CONNS_PER_IP 1              // Per IP
 834 #define MAX_TRACKERS 200                // IP address trackers
 835 #define TBF_MAX 5                       // Max number of tokens in the bucket
 836 #define TBF_REFILL_PER_SEC 0.2          // Bucket refill rate (buckets/sec)
 837
 838 #define PID_FILE "/var/run/pd-minsk.pid"
 839 #define UID 124
 840 #define GID 125
 841
 842 static char **spt_argv;
 843 static char *spt_start, *spt_end;
 844
 845 static void setproctitle_init(int argc, char **argv)
 846 {
 847   int i, len;
 848   char **env, **oldenv, *t;
 849
 850   spt_argv = argv;
 851
 852   /* Create a backup copy of environment */
 853   oldenv = __environ;
 854   len = 0;
 855   for (i=0; oldenv[i]; i++)
 856     len += strlen(oldenv[i]) + 1;
 857   __environ = env = malloc(sizeof(char *)*(i+1));
 858   t = malloc(len);
 859   if (!__environ || !t)
 860     die("malloc failed");
 861   for (i=0; oldenv[i]; i++)
 862     {
 863       env[i] = t;
 864       len = strlen(oldenv[i]) + 1;
 865       memcpy(t, oldenv[i], len);
 866       t += len;
 867     }
 868   env[i] = NULL;
 869
 870   /* Scan for consecutive free space */
 871   spt_start = spt_end = argv[0];
 872   for (i=0; i<argc; i++)
 873     if (!i || spt_end+1 == argv[i])
 874       spt_end = argv[i] + strlen(argv[i]);
 875   for (i=0; oldenv[i]; i++)
 876     if (spt_end+1 == oldenv[i])
 877       spt_end = oldenv[i] + strlen(oldenv[i]);
 878 }
 879
 880 static void
 881 setproctitle(const char *msg, ...)
 882 {
 883   va_list args;
 884   char buf[256];
 885   int n;
 886
 887   va_start(args, msg);
 888   if (spt_end > spt_start)
 889     {
 890       n = vsnprintf(buf, sizeof(buf), msg, args);
 891       if (n >= (int) sizeof(buf) || n < 0)
 892         sprintf(buf, "<too-long>");
 893       n = spt_end - spt_start;
 894       strncpy(spt_start, buf, n);
 895       spt_start[n] = 0;
 896       spt_argv[0] = spt_start;
 897       spt_argv[1] = NULL;
 898     }
 899   va_end(args);
 900 }
 901
 902 static void sigchld_handler(int sig UNUSED)
 903 {
 904 }
 905
 906 static void sigalrm_handler(int sig UNUSED)
 907 {
 908   const char err[] = "--- Timed out. Time machine disconnected. ---\n";
 909   write(1, err, sizeof(err));
 910   DLOG("Connection timed out");
 911   exit(0);
 912 }
 913
 914 static void child_error_hook(char *err)
 915 {
 916   DLOG("Stopped: %s", err);
 917 }
 918
 919 static void child(int sk2)
 920 {
 921   dup2(sk2, 0);
 922   dup2(sk2, 1);
 923   close(sk2);
 924
 925   struct sigaction sact = {
 926     .sa_handler = sigalrm_handler,
 927   };
 928   if (sigaction(SIGALRM, &sact, NULL) < 0)
 929     die("sigaction: %m");
 930
 931   // Set up limits
 932   alarm(60);
 933   cpu_quota = 100000;
 934   print_quota = 100;
 935
 936   const char welcome[] = "+++ Welcome to our computer museum. +++\n+++ Our time machine will connect you to one of our exhibits. +++\n\n";
 937   write(1, welcome, sizeof(welcome));
 938
 939   error_hook = child_error_hook;
 940   parse_in();
 941   run();
 942   fflush(stdout);
 943   DTRACE("Finished");
 944 }
 945
 946 struct conn {
 947   pid_t pid;
 948   struct in_addr addr;
 949   struct tracker *tracker;
 950 };
 951
 952 static struct conn connections[MAX_CONNECTIONS];
 953
 954 static struct conn *get_conn(struct in_addr *a)
 955 {
 956   for (int i=0; i<MAX_CONNECTIONS; i++)
 957     {
 958       struct conn *c = &connections[i];
 959       if (!c->pid)
 960         {
 961           memcpy(&c->addr, a, sizeof(struct in_addr));
 962           return c;
 963         }
 964     }
 965   return NULL;
 966 }
 967
 968 static struct conn *pid_to_conn(pid_t pid)
 969 {
 970   for (int i=0; i<MAX_CONNECTIONS; i++)
 971     {
 972       struct conn *c = &connections[i];
 973       if (c->pid == pid)
 974         return c;
 975     }
 976   return NULL;
 977 }
 978
 979 static void put_conn(struct conn *c)
 980 {
 981   c->pid = 0;
 982   c->tracker = NULL;
 983 }
 984
 985 struct tracker {
 986   struct in_addr addr;
 987   int active_conns;
 988   time_t last_access;
 989   double tokens;
 990 };
 991
 992 static struct tracker trackers[MAX_TRACKERS];
 993
 994 static int get_tracker(struct conn *c)
 995 {
 996   struct tracker *t;
 997   time_t now = time(NULL);
 998   int i;
 999
1000   for (i=0; i<MAX_TRACKERS; i++)
1001     {
1002       t = &trackers[i];
1003       if (!memcmp(&t->addr, &c->addr, sizeof(struct in_addr)))
1004         break;
1005     }
1006   if (i < MAX_TRACKERS)
1007     {
1008       if (now > t->last_access)
1009         {
1010           t->tokens += (now - t->last_access) * (double) TBF_REFILL_PER_SEC;
1011           t->last_access = now;
1012           if (t->tokens > TBF_MAX)
1013             t->tokens = TBF_MAX;
1014         }
1015       DTRACE("TBF: Using tracker %d (%.3f tokens)", i, t->tokens);
1016     }
1017   else
1018     {
1019       int min_i = -1;
1020       for (int i=0; i<MAX_TRACKERS; i++)
1021         {
1022           t = &trackers[i];
1023           if (!t->active_conns && (min_i < 0 || t->last_access < trackers[min_i].last_access))
1024             min_i = i;
1025         }
1026       if (min_i < 0)
1027         {
1028           DLOG("TBF: Out of trackers!");
1029           return 0;
1030         }
1031       t = &trackers[min_i];
1032       if (t->last_access)
1033         DTRACE("TBF: Recycling tracker %d", min_i);
1034       else
1035         DTRACE("TBF: Creating tracker %d", min_i);
1036       memset(t, 0, sizeof(*t));
1037       t->addr = c->addr;
1038       t->last_access = now;
1039       t->tokens = TBF_MAX;
1040     }
1041
1042   if (t->active_conns >= MAX_CONNS_PER_IP)
1043     {
1044       DTRACE("TBF: Too many conns per IP");
1045       return 0;
1046     }
1047
1048   if (t->tokens >= 0.999)
1049     {
1050       t->tokens -= 1;
1051       t->active_conns++;
1052       c->tracker = t;
1053       DTRACE("TBF: Passed (%d conns)", t->active_conns);
1054       return 1;
1055     }
1056   else
1057     {
1058       DTRACE("TBF: Failed");
1059       t->tokens = 0;
1060       return 0;
1061     }
1062 }
1063
1064 static void put_tracker(struct conn *c)
1065 {
1066   struct tracker *t = c->tracker;
1067   if (!t)
1068     {
1069       DLOG("put_tracker: no tracker?");
1070       sleep(5);
1071       return;
1072     }
1073   if (t->active_conns <= 0)
1074     {
1075       DLOG("put_tracker: no counter?");
1076       sleep(5);
1077       return;
1078     }
1079   t->active_conns--;
1080   DTRACE("TBF: Put tracker (%d conns remain)", t->active_conns);
1081 }
1082
1083 static void run_as_daemon(int do_fork)
1084 {
1085   int sk = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);
1086   if (sk < 0)
1087     die("socket: %m");
1088
1089   int one = 1;
1090   if (setsockopt(sk, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &one, sizeof(one)) < 0)
1091     die("setsockopt: %m");
1092
1093   struct sockaddr_in sa = {
1094     .sin_family = AF_INET,
1095     .sin_port = ntohs(1969),
1096     .sin_addr.s_addr = INADDR_ANY,
1097   };
1098   if (bind(sk, (struct sockaddr *) &sa, sizeof(sa)) < 0)
1099     die("bind: %m");
1100   if (listen(sk, 128) < 0)
1101     die("listen: %m");
1102   // if (fcntl(sk, F_SETFL, O_NONBLOCK) < 0)
1103   //  die("fcntl: %m");
1104
1105   if (do_fork)
1106     {
1107       pid_t pid = fork();
1108       if (pid < 0)
1109         die("fork: %m");
1110       if (pid)
1111         {
1112           FILE *f = fopen(PID_FILE, "w");
1113           if (f)
1114             {
1115               fprintf(f, "%d\n", pid);
1116               fclose(f);
1117             }
1118           exit(0);
1119         }
1120
1121       chdir("/");
1122       setresgid(GID, GID, GID);
1123       setresuid(UID, UID, UID);
1124       setsid();
1125     }
1126
1127   struct sigaction sact = {
1128     .sa_handler = sigchld_handler,
1129     .sa_flags = SA_RESTART,
1130   };
1131   if (sigaction(SIGCHLD, &sact, NULL) < 0)
1132     die("sigaction: %m");
1133
1134   DLOG("Daemon ready");
1135   setproctitle("minsk: Listening");
1136   openlog("minsk", LOG_PID, LOG_LOCAL7);
1137
1138   for (;;)
1139     {
1140       struct pollfd pfd[1] = {
1141         { .fd = sk, .events = POLLIN },
1142       };
1143
1144       int nfds = poll(pfd, 1, 60000);
1145       if (nfds < 0 && errno != EINTR)
1146         {
1147           DLOG("poll: %m");
1148           sleep(5);
1149           continue;
1150         }
1151
1152       int status;
1153       pid_t pid;
1154       while ((pid = waitpid(-1, &status, WNOHANG)) > 0)
1155         {
1156           if (!WIFEXITED(status) || WEXITSTATUS(status))
1157             DLOG("Process %d exited with strange status %x", pid, status);
1158
1159           struct conn *conn = pid_to_conn(pid);
1160           if (conn)
1161             {
1162               DTRACE("Connection with PID %d exited", pid);
1163               put_tracker(conn);
1164               put_conn(conn);
1165             }
1166           else
1167             DTRACE("PID %d exited, matching no connection", pid);
1168         }
1169
1170       if (!(pfd[0].revents & POLLIN))
1171         continue;
1172
1173       socklen_t salen = sizeof(sa);
1174       int sk2 = accept(sk, (struct sockaddr *) &sa, &salen);
1175       if (sk2 < 0)
1176         {
1177           if (errno != EINTR)
1178             {
1179               DLOG("accept: %m");
1180               sleep(5);
1181             }
1182           continue;
1183         }
1184       DTRACE("Got connection: fd=%d", sk2);
1185
1186       struct conn *conn = get_conn(&sa.sin_addr);
1187       const char *reason = NULL;
1188       if (conn)
1189         {
1190           if (!get_tracker(conn))
1191             {
1192               DLOG("Connection from %s dropped: Throttling", inet_ntoa(sa.sin_addr));
1193               put_conn(conn);
1194               conn = NULL;
1195               reason = "--- Sorry, but you are sending too many requests. Please slow down. ---\n";
1196             }
1197         }
1198       else
1199         {
1200           DLOG("Connection from %s dropped: Too many connections", inet_ntoa(sa.sin_addr));
1201           reason = "--- Sorry, maximum number of connections exceeded. Please come later. ---\n";
1202         }
1203
1204       pid = fork();
1205       if (pid < 0)
1206         {
1207           DLOG("fork failed: %m");
1208           close(sk2);
1209           continue;
1210         }
1211       if (!pid)
1212         {
1213           close(sk);
1214           if (conn)
1215             {
1216               DLOG("Accepted connection from %s", inet_ntoa(sa.sin_addr));
1217               setproctitle("minsk: %s", inet_ntoa(sa.sin_addr));
1218               child(sk2);
1219             }
1220           else
1221             {
1222               DLOG("Sending error message to %s", inet_ntoa(sa.sin_addr));
1223               setproctitle("minsk: %s ERR", inet_ntoa(sa.sin_addr));
1224               write(sk2, reason, strlen(reason));
1225             }
1226           exit(0);
1227         }
1228
1229       DTRACE("Created process %d", pid);
1230       if (conn)
1231         conn->pid = pid;
1232       close(sk2);
1233     }
1234 }
1235
1236 #else
1237
1238 static void run_as_daemon(int do_fork UNUSED)
1239 {
1240   die("Daemon mode not supported in this version, need to recompile.");
1241 }
1242
1243 static void setproctitle_init(int argc UNUSED, char **argv UNUSED)
1244 {
1245 }
1246
1247 #endif
1248
1249 static void init_memory(void)
1250 {
1251   // For the contest, we fill the whole memory with -00 00 0000 0000 (HALT),
1252   // not +00 00 0000 0000 (NOP). Otherwise, an empty program would reveal
1253   // the location of the password :)
1254   for (int i=0; i<4096; i++)
1255     mem[i] = 01000000000000ULL;
1256
1257   // Store the password
1258   int pos = 02655;
1259   mem[pos++] = 0574060565373;
1260   mem[pos++] = 0371741405340;
1261   mem[pos++] = 0534051524017;
1262 }
1263
1264 static const struct option longopts[] = {
1265   { "cpu-quota",        1, NULL, 'q' },
1266   { "daemon",           0, NULL, 'd' },
1267   { "nofork",           0, NULL, 'n' },
1268   { "print-quota",      1, NULL, 'p' },
1269   { "trace",            1, NULL, 't' },
1270   { NULL,               0, NULL, 0   },
1271 };
1272
1273 static void usage(void)
1274 {
1275   fprintf(stderr, "\
1276 Options:\n\n\
1277 --daemon                Run as daemon and listen for network connections\n\
1278 --nofork                When run with --daemon, avoid forking\n\
1279 --trace=<level>         Enable tracing of program execution\n\
1280 --cpu-quota=<n>         Set CPU quota to <n> instructions\n\
1281 --print-quota=<n>       Set printer quota to <n> lines\n\
1282 ");
1283   exit(1);
1284 }
1285
1286 int main(int argc, char **argv)
1287 {
1288   int opt;
1289   int daemon_mode = 0;
1290   int do_fork = 1;
1291
1292   while ((opt = getopt_long(argc, argv, "", longopts, NULL)) >= 0)
1293     switch (opt)
1294       {
1295       case 'd':
1296         daemon_mode = 1;
1297         break;
1298       case 'n':
1299         do_fork = 0;
1300         break;
1301       case 'p':
1302         print_quota = atoi(optarg);
1303         break;
1304       case 'q':
1305         cpu_quota = atoi(optarg);
1306         break;
1307       case 't':
1308         trace = atoi(optarg);
1309         break;
1310       default:
1311         usage();
1312       }
1313   if (optind < argc)
1314     usage();
1315
1316   setproctitle_init(argc, argv);
1317   init_memory();
1318
1319   if (daemon_mode)
1320     run_as_daemon(do_fork);
1321
1322   parse_in();
1323   run();
1324   return 0;
1325 }