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
  19 #include <stdio.h>
  20 #include <string.h>
  21 #include <stdlib.h>
  22 #include <stdarg.h>
  23 #include <inttypes.h>
  24 #include <assert.h>
  25 #include <math.h>
  26
  27 static int trace;
  28 static int cpu_quota = -1;
  29 static int print_quota = -1;
  30 static void (*error_hook)(char *msg);
  31
  32 // Minsk-2 has 37-bit words in sign-magnitude representation (bit 36 = sign)
  33 typedef unsigned long long int word;
  34
  35 #define WORD_MASK 01777777777777ULL
  36 #define SIGN_MASK 01000000000000ULL
  37 #define  VAL_MASK 00777777777777ULL
  38
  39 static int wsign(word w)
  40 {
  41   return (w & SIGN_MASK) ? -1 : 1;
  42 }
  43
  44 static word wabs(word w)
  45 {
  46   return w & VAL_MASK;
  47 }
  48
  49 #define WF(w) (wsign(w) < 0 ? '-' : '+'), wabs(w)
  50
  51 static long long wtoll(word w)
  52 {
  53   if (wsign(w) < 0)
  54     return -wabs(w);
  55   else
  56     return wabs(w);
  57 }
  58
  59 static word wfromll(long long x)
  60 {
  61   word w = ((x < 0) ? -x : x) & VAL_MASK;
  62   if (x < 0)
  63     w |= SIGN_MASK;
  64   return w;
  65 }
  66
  67 static double wtofrac(word w)
  68 {
  69   return (double)wtoll(w) / (double)(1ULL << 36);
  70 }
  71
  72 static word wfromfrac(double d)
  73 {
  74   return wfromll((long long)(d * (double)(1ULL << 36)));
  75 }
  76
  77 static int int_in_range(long long x)
  78 {
  79   return (x >= -(long long)VAL_MASK && x <= (long long)VAL_MASK);
  80 }
  81
  82 static int frac_in_range(double d)
  83 {
  84   return (d > -1. && d < 1.);
  85 }
  86
  87 static int wexp(word w)
  88 {
  89   int exp = w & 077;
  90   return (w & 0100 ? -exp : exp);
  91 }
  92
  93 static word wputexp(word w, int exp)
  94 {
  95   return ((w & ~(word)0177) | ((exp < 0) ? 0100 | (-exp) : exp));
  96 }
  97
  98 static int wmanti(word w)
  99 {
 100   return ((w >> 8) & ((1 << 28) - 1));
 101 }
 102
 103 static double wtofloat(word w)
 104 {
 105   double x = wmanti(w);
 106   return ldexp(x, wexp(w) - 28);
 107 }
 108
 109 static int float_in_range(double x)
 110 {
 111   x = fabs(x);
 112   return (x <= ldexp((1 << 28) - 1, 63 - 28));
 113 }
 114
 115 static word wfromfloat(double x, int normalized)
 116 {
 117   word w = 0;
 118   if (x < 0)
 119     {
 120       w |= SIGN_MASK;
 121       x = -x;
 122     }
 123   int exp;
 124   double m = frexp(x, &exp);
 125   word mm = (word) ldexp(m, 28);
 126   if (exp > 63)
 127     assert(0);
 128   else if (exp < -63)
 129     {
 130       if (normalized || exp < -91)
 131         mm=0, exp=0;
 132       else
 133         {
 134           mm >>= -exp - 63;
 135           exp = -63;
 136         }
 137     }
 138   w |= mm << 8;
 139   if (exp < 0)
 140     {
 141       w |= 0100;
 142       exp = -exp;
 143     }
 144   w |= exp;
 145   return w;
 146 }
 147
 148 static word mem[4096];
 149
 150 static word rd(int addr)
 151 {
 152   word val = addr ? mem[addr] : 0;
 153   if (trace > 2)
 154     printf("\tRD %04o = %c%012llo\n", addr, WF(val));
 155   return val;
 156 }
 157
 158 static void wr(int addr, word val)
 159 {
 160   assert(!(val & ~(WORD_MASK)));
 161   if (trace > 2)
 162     printf("\tWR %04o = %c%012llo\n", addr, WF(val));
 163   mem[addr] = val;
 164 }
 165
 166 static int lino;
 167
 168 static void parse_error(char *msg)
 169 {
 170   if (error_hook)
 171     error_hook("Parse error");
 172   printf("Ошибка входа (стр. %d): %s\n", lino, msg);
 173   exit(0);
 174 }
 175
 176 static void parse_in(void)
 177 {
 178   char line[80];
 179   int addr = 0;
 180
 181   while (fgets(line, sizeof(line), stdin))
 182     {
 183       lino++;
 184       char *eol = strchr(line, '\n');
 185       if (!eol)
 186         parse_error("Строка слишком долгая");
 187       *eol = 0;
 188
 189       char *c = line;
 190       if (!c[0] || c[0] == ';')
 191         {
 192           if (!strncmp(c, ";daji_zor_i_litva=", 18))
 193             {
 194               trace = atoi(c+18);
 195               if (error_hook)
 196                 error_hook("Secret tracing switch flipped");
 197             }
 198           continue;
 199         }
 200
 201       if (c[0] == '@')
 202         {
 203           c++;
 204           addr = 0;
 205           for (int i=0; i<4; i++)
 206             {
 207               while (*c == ' ')
 208                 c++;
 209               if (*c >= '0' && *c <= '7')
 210                 addr = 8*addr + *c++ - '0';
 211               else
 212                 parse_error("Плохая цифра");
 213             }
 214           while (*c == ' ')
 215             c++;
 216           if (*c)
 217             parse_error("Адрес слишком долгий");
 218           continue;
 219         }
 220
 221       word w = 0;
 222       if (*c == '-')
 223         w = 1;
 224       else if (*c != '+')
 225         parse_error("Плохой знак");
 226       c++;
 227       for (int i=0; i<12; i++)
 228         {
 229           while (*c == ' ')
 230             c++;
 231           if (*c >= '0' && *c <= '7')
 232             w = 8*w + *c++ - '0';
 233           else
 234             parse_error("Плохая цифра");
 235         }
 236       while (*c == ' ')
 237         c++;
 238       if (*c)
 239         parse_error("Номер слишком долгий");
 240       wr(addr++, w);
 241       addr &= 07777;
 242     }
 243 }
 244
 245 static word acc;
 246 static word r1, r2, current_ins;
 247 static int ip = 00050;                  // Standard program start location
 248 static int prev_ip;
 249
 250 static void stop(char *reason, char *notice)
 251 {
 252   if (error_hook)
 253     error_hook(notice);
 254   printf("Машина остановлена -- %s\n", reason);
 255   printf("СчАК:%04o См:%c%012llo Р1:%c%012llo Р2:%c%012llo\n", prev_ip, WF(acc), WF(r1), WF(r2));
 256   exit(0);
 257 }
 258
 259 static void over(void)
 260 {
 261   stop("Аварийный останов", "Overflow");
 262 }
 263
 264 static void notimp(void)
 265 {
 266   acc = current_ins;
 267   stop("Устройство разбитое", "Not implemented");
 268 }
 269
 270 static void noins(void)
 271 {
 272   acc = current_ins;
 273   stop("Эту команду не знаю", "Illegal instruction");
 274 }
 275
 276 static uint16_t linebuf[128];
 277
 278 static uint16_t russian_chars[64] = {
 279         '0',    '1',    '2',    '3',    '4',    '5',    '6',    '7',    // 0x
 280         '8',    '9',    '+',    '-',    '/',    ',',    '.',    ' ',    // 1x
 281         0x2169, '^',    '(',    ')',    0x00d7, '=',    ';',    '[',    // 2x
 282         ']',    '*',    '`',    '\'',   0x2260, '<',    '>',    ':',    // 3x
 283         0x410,  0x411,  0x412,  0x413,  0x414,  0x415,  0x416,  0x417,  // 4x
 284         0x418,  0x419,  0x41a,  0x41b,  0x41c,  0x41d,  0x41e,  0x41f,  // 5x
 285         0x420,  0x421,  0x422,  0x423,  0x424,  0x425,  0x426,  0x427,  // 6x
 286         0x428,  0x429,  0x42b,  0x42c,  0x42d,  0x42e,  0x42f,  0x2013  // 7x
 287 };
 288
 289 static uint16_t latin_chars[64] = {
 290         '0',    '1',    '2',    '3',    '4',    '5',    '6',    '7',    // 0x
 291         '8',    '9',    '+',    '-',    '/',    ',',    '.',    ' ',    // 1x
 292         0x2169, '^',    '(',    ')',    0x00d7, '=',    ';',    '[',    // 2x
 293         ']',    '*',    '`',    '\'',   0x2260, '<',    '>',    ':',    // 3x
 294         'A',    'B',    'W',    'G',    'D',    'E',    'V',    'Z',    // 4x
 295         'I',    'J',    'K',    'L',    'M',    'N',    'O',    'P',    // 5x
 296         'R',    'S',    'T',    'U',    'F',    'H',    'C',    ' ',    // 6x
 297         ' ',    ' ',    'Y',    'X',    ' ',    ' ',    'Q',    0x2013  // 7x
 298 };
 299
 300 static void print_line(int r)
 301 {
 302   /*
 303    *  Meaning of bits of r:
 304    *    0 = perform line feed
 305    *    1 = clear buffer
 306    *    2 = actually print
 307    */
 308   if (r & 4)
 309     {
 310       if (print_quota > 0 && !--print_quota)
 311         stop("Бумага дошла - нужно ехать в Сибирь про новую", "Out of paper");
 312       for (int i=0; i<128; i++)
 313         {
 314           int ch = linebuf[i];
 315           if (!ch)
 316             ch = ' ';
 317           if (ch < 0x80)
 318             putchar(ch);
 319           else if (ch < 0x800)
 320             {
 321               putchar(0xc0 | (ch >> 6));
 322               putchar(0x80 | (ch & 0x3f));
 323             }
 324           else
 325             {
 326               putchar(0xe0 | (ch >> 12));
 327               putchar(0x80 | ((ch >> 6) & 0x3f));
 328               putchar(0x80 | (ch & 0x3f));
 329             }
 330         }
 331     }
 332   if (r & 2)
 333     memset(linebuf, 0, sizeof(linebuf));
 334   if (r & 1)
 335     putchar('\n');
 336   else if (r & 4)
 337     putchar('\r');
 338   fflush(stdout);
 339 }
 340
 341 static void print_ins(int x, int y)
 342 {
 343   word yy = rd(y);
 344   int pos = x & 0177;
 345   int r = (x >> 9) & 7;
 346
 347   if (x & 0400)
 348     {
 349       print_line(r);
 350       return;
 351     }
 352
 353   char *fmt;
 354   int bit = 37;
 355   int eat = 0;
 356   switch (r)
 357     {
 358     case 0:                             // Decimal float
 359       fmt = "+dddddddx+xbd";
 360       break;
 361     case 1:                             // Octal number
 362       fmt = "+oooooooooooo";
 363       break;
 364     case 2:                             // Decimal fixed
 365       fmt = "+ddddddddd";
 366       break;
 367     case 3:                             // Decimal unsigned
 368       fmt = "x ddddddddd";
 369       eat = 1;
 370       break;
 371     case 4:                             // One Russian symbol
 372       bit = 6;
 373       fmt = "r";
 374       break;
 375     case 5:                             // Russian text
 376       fmt = "xrrrrrr";
 377       break;
 378     case 6:                             // One Latin symbol
 379       bit = 6;
 380       fmt = "l";
 381       break;
 382     default:                            // Latin text
 383       fmt = "xllllll";
 384     }
 385
 386   while (*fmt)
 387     {
 388       int ch;
 389       switch (*fmt++)
 390         {
 391         case 'x':
 392           bit--;
 393           continue;
 394         case ' ':
 395           ch = ' ';
 396           break;
 397         case '+':
 398           bit--;
 399           ch = (yy & (1ULL << bit)) ? '-' : '+';
 400           break;
 401         case 'b':
 402           bit--;
 403           ch = '0' + ((yy >> bit) & 1);
 404           break;
 405         case 'o':
 406           bit -= 3;
 407           ch = '0' + ((yy >> bit) & 7);
 408           break;
 409         case 'd':
 410           bit -= 4;
 411           ch = '0' + ((yy >> bit) & 15);
 412           if (ch > '0' + 9)
 413             ch += 7;
 414           break;
 415         case 'r':
 416           bit -= 6;
 417           ch = russian_chars[(yy >> bit) & 077];
 418           break;
 419         case 'l':
 420           bit -= 6;
 421           ch = latin_chars[(yy >> bit) & 077];
 422           break;
 423         default:
 424           assert(0);
 425         }
 426
 427       if (eat && *fmt)
 428         {
 429           if (ch == '0' || ch == ' ')
 430             ch = ' ';
 431           else
 432             eat = 0;
 433         }
 434       linebuf[pos] = ch;
 435       pos = (pos+1) & 0177;
 436     }
 437   assert(!bit);
 438 }
 439
 440 static void run(void)
 441 {
 442   for (;;)
 443     {
 444       r2 = acc;
 445       prev_ip = ip;
 446       word w = mem[ip];
 447       current_ins = w;
 448
 449       int op = (w >> 30) & 0177;        // Operation code
 450       int ax = (w >> 28) & 3;           // Address extensions not supported
 451       int ix = (w >> 24) & 15;          // Indexing
 452       int x = (w >> 12) & 07777;        // Operands (original form)
 453       int y = w & 07777;
 454       int xi=x, yi=y;                   // (indexed form)
 455       if (trace)
 456         printf("@%04o  %c%02o %02o %04o %04o\n",
 457           ip,
 458           (w & SIGN_MASK) ? '-' : '+',
 459           (int)((w >> 30) & 077),
 460           (int)((w >> 24) & 077),
 461           x,
 462           y);
 463       if (ix)
 464         {
 465           if (op != 0120)
 466             {
 467               word i = rd(ix);
 468               xi = (xi + (int)((i >> 12) & 07777)) & 07777;
 469               yi = (yi + (int)(i & 07777)) & 07777;
 470               if (trace > 2)
 471                 printf("\tIndexing -> %04o %04o\n", xi, yi);
 472             }
 473         }
 474       ip = (ip+1) & 07777;
 475
 476       if (cpu_quota > 0 && !--cpu_quota)
 477         stop("Тайм-аут", "CPU quota exceeded");
 478
 479       /* Arithmetic operations */
 480
 481       word a, b, c;
 482       long long aa, bb, cc;
 483       double ad, bd;
 484       int i;
 485
 486       auto void afetch(void);
 487       void afetch(void)
 488         {
 489           if (op & 2)
 490             a = r2;
 491           else
 492             a = rd(yi);
 493           b = r1 = rd(xi);
 494         }
 495
 496       auto void astore(word result);
 497       void astore(word result)
 498         {
 499           acc = result;
 500           if (op & 1)
 501             wr(yi, acc);
 502         }
 503
 504       auto void astore_int(long long x);
 505       void astore_int(long long x)
 506         {
 507           if (!int_in_range(x))
 508             over();
 509           astore(wfromll(x));
 510         }
 511
 512       auto void astore_frac(double f);
 513       void astore_frac(double f)
 514         {
 515           if (!frac_in_range(f))
 516             over();
 517           astore(wfromfrac(f));
 518         }
 519
 520       auto void astore_float(double f);
 521       void astore_float(double f)
 522         {
 523           if (!float_in_range(f))
 524             over();
 525           astore(wfromfloat(f, 0));
 526         }
 527
 528       if (ax)
 529         op = -1;
 530       switch (op)
 531         {
 532         case 000:               // NOP
 533           break;
 534         case 004 ... 007:       // XOR
 535           afetch();
 536           astore(a^b);
 537           break;
 538         case 010 ... 013:       // FIX addition
 539           afetch();
 540           astore_int(wtoll(a) + wtoll(b));
 541           break;
 542         case 014 ... 017:       // FP addition
 543           afetch();
 544           astore_float(wtofloat(a) + wtofloat(b));
 545           break;
 546         case 020 ... 023:       // FIX subtraction
 547           afetch();
 548           astore_int(wtoll(a) - wtoll(b));
 549           break;
 550         case 024 ... 027:       // FP subtraction
 551           afetch();
 552           astore_float(wtofloat(a) - wtofloat(b));
 553           break;
 554         case 030 ... 033:       // FIX multiplication
 555           afetch();
 556           astore_frac(wtofrac(a) * wtofrac(b));
 557           break;
 558         case 034 ... 037:       // FP multiplication
 559           afetch();
 560           astore_float(wtofloat(a) * wtofloat(b));
 561           break;
 562         case 040 ... 043:       // FIX division
 563           afetch();
 564           ad = wtofrac(a);
 565           bd = wtofrac(b);
 566           if (!wabs(b))
 567             over();
 568           astore_frac(ad / bd);
 569           break;
 570         case 044 ... 047:       // FP division
 571           afetch();
 572           ad = wtofloat(a);
 573           bd = wtofloat(b);
 574           if (!bd || wexp(b) < -63)
 575             over();
 576           astore_float(ad / bd);
 577           break;
 578         case 050 ... 053:       // FIX subtraction of abs values
 579           afetch();
 580           astore_int(wabs(a) - wabs(b));
 581           break;
 582         case 054 ... 057:       // FP subtraction of abs values
 583           afetch();
 584           astore_float(fabs(wtofloat(a)) - fabs(wtofloat(b)));
 585           break;
 586         case 060 ... 063:       // Shift logical
 587           afetch();
 588           i = wexp(b);
 589           if (i <= -37 || i >= 37)
 590             astore(0);
 591           else if (i >= 0)
 592             astore((a << i) & WORD_MASK);
 593           else
 594             astore(a >> (-i));
 595           break;
 596         case 064 ... 067:       // Shift arithmetical
 597           afetch();
 598           i = wexp(b);
 599           aa = wabs(a);
 600           if (i <= -36 || i >= 36)
 601             cc = 0;
 602           else if (i >= 0)
 603             cc = (aa << i) & VAL_MASK;
 604           else
 605             cc = aa >> (-i);
 606           astore((a & SIGN_MASK) | wfromll(cc));
 607           break;
 608         case 070 ... 073:       // And
 609           afetch();
 610           astore(a&b);
 611           break;
 612         case 074 ... 077:       // Or
 613           afetch();
 614           astore(a|b);
 615           break;
 616
 617         case 0100:              // Halt
 618           r1 = rd(x);
 619           acc = rd(y);
 620           stop("Останов машины", "Halted");
 621         case 0103:              // I/O magtape
 622           notimp();
 623         case 0104:              // Disable rounding
 624           notimp();
 625         case 0105:              // Enable rounding
 626           notimp();
 627         case 0106:              // Interrupt control
 628           notimp();
 629         case 0107:              // Reverse tape
 630           notimp();
 631         case 0110:              // Move
 632           wr(yi, r1 = acc = rd(xi));
 633           break;
 634         case 0111:              // Move negative
 635           wr(yi, acc = (r1 = rd(xi)) ^ SIGN_MASK);
 636           break;
 637         case 0112:              // Move absolute value
 638           wr(yi, acc = (r1 = rd(xi)) & VAL_MASK);
 639           break;
 640         case 0113:              // Read from keyboard
 641           notimp();
 642         case 0114:              // Copy sign
 643           wr(yi, acc = rd(yi) ^ ((r1 = rd(xi)) & SIGN_MASK));
 644           break;
 645         case 0115:              // Read code from R1 (obscure)
 646           notimp();
 647         case 0116:              // Copy exponent
 648           wr(yi, acc = wputexp(rd(yi), wexp(r1 = rd(xi))));
 649           break;
 650         case 0117:              // I/O teletype
 651           notimp();
 652         case 0120:              // Loop
 653           if (!ix)
 654             noins();
 655           a = r1 = rd(ix);
 656           aa = (a >> 24) & 017777;
 657           if (!aa)
 658             break;
 659           b = rd(y);            // (a mountain range near Prague)
 660           acc = ((aa-1) << 24) |
 661                 (((((a >> 12) & 07777) + (b >> 12) & 07777) & 07777) << 12) |
 662                 (((a & 07777) + (b & 07777)) & 07777);
 663           wr(ix, acc);
 664           ip = x;
 665           break;
 666         case 0130:              // Jump
 667           wr(y, r2);
 668           ip = x;
 669           break;
 670         case 0131:              // Jump to subroutine
 671           wr(y, acc = ((030ULL << 30) | ((ip & 07777ULL) << 12)));
 672           ip = x;
 673           break;
 674         case 0132:              // Jump if positive
 675           if (wsign(r2) >= 0)
 676             ip = x;
 677           else
 678             ip = y;
 679           break;
 680         case 0133:              // Jump if overflow
 681           // Since we always trap on overflow, this instruction always jumps to the 1st address
 682           ip = x;
 683           break;
 684         case 0134:              // Jump if zero
 685           if (!wabs(r2))
 686             ip = y;
 687           else
 688             ip = x;
 689           break;
 690         case 0135:              // Jump if key pressed
 691           // No keys are ever pressed, so always jump to 2nd
 692           ip = y;
 693           break;
 694         case 0136:              // Interrupt masking
 695           notimp();
 696         case 0137:              // Used only when reading from tape
 697           notimp();
 698         case 0140 ... 0147:     // I/O
 699           notimp();
 700         case 0150 ... 0154:     // I/O
 701           notimp();
 702         case 0160 ... 0161:     // I/O
 703           notimp();
 704         case 0162:              // Printing
 705           print_ins(x, y);
 706           break;
 707         case 0163:              // I/O
 708           notimp();
 709         case 0170:              // FIX multiplication, bottom part
 710           afetch();
 711           if (wtofrac(a) * wtofrac(b) >= .1/(1ULL << 32))
 712             over();
 713           acc = wfromll(((unsigned long long)wabs(a) * (unsigned long long)wabs(b)) & VAL_MASK);
 714           // XXX: What should be the sign? The book does not define that.
 715           break;
 716         case 0171:              // Modulo
 717           afetch();
 718           aa = wabs(a);
 719           bb = wabs(b);
 720           if (!bb)
 721             over();
 722           cc = aa % bb;
 723           if (wsign(b) < 0)
 724             cc = -cc;
 725           acc = wfromll(cc);
 726           break;
 727         case 0172:              // Add exponents
 728           a = r1 = rd(xi);
 729           b = rd(yi);
 730           i = wexp(a) + wexp(b);
 731           if (i < -63 || i > 63)
 732             over();
 733           acc = wputexp(b, i);
 734           wr(yi, acc);
 735           break;
 736         case 0173:              // Sub exponents
 737           a = r1 = rd(xi);
 738           b = rd(yi);
 739           i = wexp(b) - wexp(a);
 740           if (i < -63 || i > 63)
 741             over();
 742           acc = wputexp(b, i);
 743           wr(yi, acc);
 744           break;
 745         case 0174:              // Addition in one's complement
 746           a = r1 = rd(xi);
 747           b = rd(yi);
 748           c = a + b;
 749           if (c > VAL_MASK)
 750             c = c - VAL_MASK;
 751           wr(yi, c);
 752           // XXX: The effect on the accumulator is undocumented, but likely to be as follows:
 753           acc = c;
 754           break;
 755         case 0175:              // Normalization
 756           a = r1 = rd(xi);
 757           if (!wabs(a))
 758             {
 759               wr(yi, 0);
 760               wr((yi+1) & 07777, 0);
 761               acc = 0;
 762             }
 763           else
 764             {
 765               i = 0;
 766               acc = a & SIGN_MASK;
 767               a &= VAL_MASK;
 768               while (!(a & (SIGN_MASK >> 1)))
 769                 {
 770                   a <<= 1;
 771                   i++;
 772                 }
 773               acc |= a;
 774               wr(yi, acc);
 775               wr((yi+1) & 07777, i);
 776             }
 777           break;
 778         case 0176:              // Population count
 779           a = r1 = rd(xi);
 780           cc = 0;
 781           for (int i=0; i<36; i++)
 782             if (a & (1ULL << i))
 783               cc++;
 784           // XXX: Guessing that acc gets a copy of the result
 785           acc = wfromll(cc);
 786           wr(yi, acc);
 787           break;
 788         default:
 789           noins();
 790         }
 791
 792       if (trace > 1)
 793         printf("\tACC:%c%012llo R1:%c%012llo R2:%c%012llo\n", WF(acc), WF(r1), WF(r2));
 794     }
 795 }
 796
 797 /*** Daemon interface ***/
 798
 799 #include <unistd.h>
 800 #include <errno.h>
 801 #include <time.h>
 802 #include <syslog.h>
 803 #include <sys/signal.h>
 804 #include <sys/wait.h>
 805 #include <sys/poll.h>
 806 #include <sys/socket.h>
 807 #include <netinet/in.h>
 808 #include <arpa/inet.h>
 809
 810 #if 0
 811 #define DTRACE(msg, args...) fprintf(stderr, msg "\n", ##args)
 812 #define DLOG(msg, args...) fprintf(stderr, msg "\n", ##args)
 813 #else
 814 #define DTRACE(msg, args...) do { } while(0)
 815 #define DLOG(msg, args...) syslog(LOG_INFO, msg, ##args)
 816 #endif
 817
 818 #define MAX_CONNECTIONS 50              // Per daemon
 819 #define MAX_CONNS_PER_IP 1              // Per IP
 820 #define MAX_TRACKERS 200                // IP address trackers
 821 #define TBF_MAX 5                       // Max number of tokens in the bucket
 822 #define TBF_REFILL_PER_SEC 0.2          // Bucket refill rate (buckets/sec)
 823
 824 #define PID_FILE "/var/run/minsk.pid"
 825 #define UID 65534
 826 #define GID 65534
 827
 828 static void die(char *msg)
 829 {
 830   fprintf(stderr, "minsk: ");
 831   fprintf(stderr, msg);
 832   fputc('\n', stderr);
 833   exit(1);
 834 }
 835
 836 static char **spt_argv;
 837 static char *spt_start, *spt_end;
 838
 839 static void setproctitle_init(int argc, char **argv)
 840 {
 841   int i, len;
 842   char **env, **oldenv, *t;
 843
 844   spt_argv = argv;
 845
 846   /* Create a backup copy of environment */
 847   oldenv = __environ;
 848   len = 0;
 849   for (i=0; oldenv[i]; i++)
 850     len += strlen(oldenv[i]) + 1;
 851   __environ = env = malloc(sizeof(char *)*(i+1));
 852   t = malloc(len);
 853   if (!__environ || !t)
 854     die("malloc failed");
 855   for (i=0; oldenv[i]; i++)
 856     {
 857       env[i] = t;
 858       len = strlen(oldenv[i]) + 1;
 859       memcpy(t, oldenv[i], len);
 860       t += len;
 861     }
 862   env[i] = NULL;
 863
 864   /* Scan for consecutive free space */
 865   spt_start = spt_end = argv[0];
 866   for (i=0; i<argc; i++)
 867     if (!i || spt_end+1 == argv[i])
 868       spt_end = argv[i] + strlen(argv[i]);
 869   for (i=0; oldenv[i]; i++)
 870     if (spt_end+1 == oldenv[i])
 871       spt_end = oldenv[i] + strlen(oldenv[i]);
 872 }
 873
 874 static void
 875 setproctitle(const char *msg, ...)
 876 {
 877   va_list args;
 878   char buf[256];
 879   int n;
 880
 881   va_start(args, msg);
 882   if (spt_end > spt_start)
 883     {
 884       n = vsnprintf(buf, sizeof(buf), msg, args);
 885       if (n >= (int) sizeof(buf) || n < 0)
 886         sprintf(buf, "<too-long>");
 887       n = spt_end - spt_start;
 888       strncpy(spt_start, buf, n);
 889       spt_start[n] = 0;
 890       spt_argv[0] = spt_start;
 891       spt_argv[1] = NULL;
 892     }
 893   va_end(args);
 894 }
 895
 896 static void sigchld_handler(int sig __attribute__((unused)))
 897 {
 898 }
 899
 900 static void sigalrm_handler(int sig __attribute__((unused)))
 901 {
 902   const char err[] = "--- Timed out. Time machine disconnected. ---\n";
 903   write(1, err, sizeof(err));
 904   DLOG("Connection timed out");
 905   exit(0);
 906 }
 907
 908 static void child_error_hook(char *err)
 909 {
 910   DLOG("Stopped: %s", err);
 911 }
 912
 913 static void child(int sk2)
 914 {
 915   dup2(sk2, 0);
 916   dup2(sk2, 1);
 917   close(sk2);
 918
 919   struct sigaction sact = {
 920     .sa_handler = sigalrm_handler,
 921   };
 922   if (sigaction(SIGALRM, &sact, NULL) < 0)
 923     die("sigaction: %m");
 924
 925   // Set up limits
 926   alarm(60);
 927   cpu_quota = 100000;
 928   print_quota = 100;
 929
 930   const char welcome[] = "+++ Welcome to our computer museum. +++\n+++ Our time machine will connect you to one of our exhibits. +++\n\n";
 931   write(1, welcome, sizeof(welcome));
 932
 933   error_hook = child_error_hook;
 934   parse_in();
 935   run();
 936   fflush(stdout);
 937   DTRACE("Finished");
 938 }
 939
 940 struct conn {
 941   pid_t pid;
 942   struct in_addr addr;
 943   struct tracker *tracker;
 944 };
 945
 946 static struct conn connections[MAX_CONNECTIONS];
 947
 948 static struct conn *get_conn(struct in_addr *a)
 949 {
 950   for (int i=0; i<MAX_CONNECTIONS; i++)
 951     {
 952       struct conn *c = &connections[i];
 953       if (!c->pid)
 954         {
 955           memcpy(&c->addr, a, sizeof(struct in_addr));
 956           return c;
 957         }
 958     }
 959   return NULL;
 960 }
 961
 962 static struct conn *pid_to_conn(pid_t pid)
 963 {
 964   for (int i=0; i<MAX_CONNECTIONS; i++)
 965     {
 966       struct conn *c = &connections[i];
 967       if (c->pid == pid)
 968         return c;
 969     }
 970   return NULL;
 971 }
 972
 973 static void put_conn(struct conn *c)
 974 {
 975   c->pid = 0;
 976   c->tracker = NULL;
 977 }
 978
 979 struct tracker {
 980   struct in_addr addr;
 981   int active_conns;
 982   time_t last_access;
 983   double tokens;
 984 };
 985
 986 static struct tracker trackers[MAX_TRACKERS];
 987
 988 static int get_tracker(struct conn *c)
 989 {
 990   struct tracker *t;
 991   time_t now = time(NULL);
 992   int i;
 993
 994   for (i=0; i<MAX_TRACKERS; i++)
 995     {
 996       t = &trackers[i];
 997       if (!memcmp(&t->addr, &c->addr, sizeof(struct in_addr)))
 998         break;
 999     }
1000   if (i < MAX_TRACKERS)
1001     {
1002       if (now > t->last_access)
1003         {
1004           t->tokens += (now - t->last_access) * (double) TBF_REFILL_PER_SEC;
1005           t->last_access = now;
1006           if (t->tokens > TBF_MAX)
1007             t->tokens = TBF_MAX;
1008         }
1009       DTRACE("TBF: Using tracker %d (%.3f tokens)", i, t->tokens);
1010     }
1011   else
1012     {
1013       int min_i = -1;
1014       for (int i=0; i<MAX_TRACKERS; i++)
1015         {
1016           t = &trackers[i];
1017           if (!t->active_conns && (min_i < 0 || t->last_access < trackers[min_i].last_access))
1018             min_i = i;
1019         }
1020       if (min_i < 0)
1021         {
1022           DLOG("TBF: Out of trackers!");
1023           return 0;
1024         }
1025       t = &trackers[min_i];
1026       if (t->last_access)
1027         DTRACE("TBF: Recycling tracker %d", min_i);
1028       else
1029         DTRACE("TBF: Creating tracker %d", min_i);
1030       memset(t, 0, sizeof(*t));
1031       t->addr = c->addr;
1032       t->last_access = now;
1033       t->tokens = TBF_MAX;
1034     }
1035
1036   if (t->active_conns >= MAX_CONNS_PER_IP)
1037     {
1038       DTRACE("TBF: Too many conns per IP");
1039       return 0;
1040     }
1041
1042   if (t->tokens >= 0.999)
1043     {
1044       t->tokens -= 1;
1045       t->active_conns++;
1046       c->tracker = t;
1047       DTRACE("TBF: Passed (%d conns)", t->active_conns);
1048       return 1;
1049     }
1050   else
1051     {
1052       DTRACE("TBF: Failed");
1053       t->tokens = 0;
1054       return 0;
1055     }
1056 }
1057
1058 static void put_tracker(struct conn *c)
1059 {
1060   struct tracker *t = c->tracker;
1061   if (!t)
1062     {
1063       DLOG("put_tracker: no tracker?");
1064       sleep(5);
1065       return;
1066     }
1067   if (t->active_conns <= 0)
1068     {
1069       DLOG("put_tracker: no counter?");
1070       sleep(5);
1071       return;
1072     }
1073   t->active_conns--;
1074   DTRACE("TBF: Put tracker (%d conns remain)", t->active_conns);
1075 }
1076
1077 static void run_as_daemon(int do_fork)
1078 {
1079   int sk = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);
1080   if (sk < 0)
1081     die("socket: %m");
1082
1083   int one = 1;
1084   if (setsockopt(sk, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &one, sizeof(one)) < 0)
1085     die("setsockopt: %m");
1086
1087   struct sockaddr_in sa = {
1088     .sin_family = AF_INET,
1089     .sin_port = ntohs(1969),
1090     .sin_addr.s_addr = INADDR_ANY,
1091   };
1092   if (bind(sk, (struct sockaddr *) &sa, sizeof(sa)) < 0)
1093     die("bind: %m");
1094   if (listen(sk, 128) < 0)
1095     die("listen: %m");
1096   // if (fcntl(sk, F_SETFL, O_NONBLOCK) < 0)
1097   //  die("fcntl: %m");
1098
1099   if (do_fork)
1100     {
1101       pid_t pid = fork();
1102       if (pid < 0)
1103         die("fork: %m");
1104       if (pid)
1105         {
1106           FILE *f = fopen(PID_FILE, "w");
1107           if (f)
1108             {
1109               fprintf(f, "%d\n", pid);
1110               fclose(f);
1111             }
1112           exit(0);
1113         }
1114
1115       chdir("/");
1116       setresgid(GID, GID, GID);
1117       setresuid(UID, UID, UID);
1118       setsid();
1119     }
1120
1121   struct sigaction sact = {
1122     .sa_handler = sigchld_handler,
1123     .sa_flags = SA_RESTART,
1124   };
1125   if (sigaction(SIGCHLD, &sact, NULL) < 0)
1126     die("sigaction: %m");
1127
1128   DLOG("Daemon ready");
1129   setproctitle("minsk: Listening");
1130   openlog("minsk", LOG_PID, LOG_LOCAL7);
1131
1132   for (;;)
1133     {
1134       struct pollfd pfd[1] = {
1135         { .fd = sk, .events = POLLIN },
1136       };
1137
1138       int nfds = poll(pfd, 1, 60000);
1139       if (nfds < 0 && errno != EINTR)
1140         {
1141           DLOG("poll: %m");
1142           sleep(5);
1143           continue;
1144         }
1145
1146       int status;
1147       pid_t pid;
1148       while ((pid = waitpid(-1, &status, WNOHANG)) > 0)
1149         {
1150           if (!WIFEXITED(status) || WEXITSTATUS(status))
1151             DLOG("Process %d exited with strange status %x", pid, status);
1152
1153           struct conn *conn = pid_to_conn(pid);
1154           if (conn)
1155             {
1156               DTRACE("Connection with PID %d exited", pid);
1157               put_tracker(conn);
1158               put_conn(conn);
1159             }
1160           else
1161             DTRACE("PID %d exited, matching no connection", pid);
1162         }
1163
1164       if (!(pfd[0].revents & POLLIN))
1165         continue;
1166
1167       socklen_t salen = sizeof(sa);
1168       int sk2 = accept(sk, (struct sockaddr *) &sa, &salen);
1169       if (sk2 < 0)
1170         {
1171           if (errno != EINTR)
1172             {
1173               DLOG("accept: %m");
1174               sleep(5);
1175             }
1176           continue;
1177         }
1178       DTRACE("Got connection: fd=%d", sk2);
1179
1180       struct conn *conn = get_conn(&sa.sin_addr);
1181       const char *reason = NULL;
1182       if (conn)
1183         {
1184           if (!get_tracker(conn))
1185             {
1186               DLOG("Connection from %s dropped: Throttling", inet_ntoa(sa.sin_addr));
1187               put_conn(conn);
1188               conn = NULL;
1189               reason = "--- Sorry, but you are sending too many requests. Please slow down. ---\n";
1190             }
1191         }
1192       else
1193         {
1194           DLOG("Connection from %s dropped: Too many connections", inet_ntoa(sa.sin_addr));
1195           reason = "--- Sorry, maximum number of connections exceeded. Please come later. ---\n";
1196         }
1197
1198       pid = fork();
1199       if (pid < 0)
1200         {
1201           DLOG("fork failed: %m");
1202           close(sk2);
1203           continue;
1204         }
1205       if (!pid)
1206         {
1207           close(sk);
1208           if (conn)
1209             {
1210               DLOG("Accepted connection from %s", inet_ntoa(sa.sin_addr));
1211               setproctitle("minsk: %s", inet_ntoa(sa.sin_addr));
1212               child(sk2);
1213             }
1214           else
1215             {
1216               DLOG("Sending error message to %s", inet_ntoa(sa.sin_addr));
1217               setproctitle("minsk: %s ERR", inet_ntoa(sa.sin_addr));
1218               write(sk2, reason, strlen(reason));
1219             }
1220           exit(0);
1221         }
1222
1223       DTRACE("Created process %d", pid);
1224       if (conn)
1225         conn->pid = pid;
1226       close(sk2);
1227     }
1228 }
1229
1230 static void init_memory(void)
1231 {
1232   // For the contest, we fill the whole memory with -00 00 0000 0000 (HALT),
1233   // not +00 00 0000 0000 (NOP). Otherwise, an empty program would reveal
1234   // the location of the password :)
1235   for (int i=0; i<4096; i++)
1236     mem[i] = 01000000000000ULL;
1237
1238   // Store the password
1239   int pos = 02655;
1240   mem[pos++] = 0574060565373;
1241   mem[pos++] = 0371741405340;
1242   mem[pos++] = 0534051524017;
1243 }
1244
1245 int main(int argc, char **argv)
1246 {
1247   init_memory();
1248
1249   if (argc > 1)
1250     {
1251       setproctitle_init(argc, argv);
1252       if (!strcmp(argv[1], "--daemon"))
1253         run_as_daemon(1);
1254       else if (!strcmp(argv[1], "--net"))
1255         run_as_daemon(0);
1256       else
1257         die("Usage: minsk [--daemon | --net]");
1258     }
1259
1260   trace = 3;
1261   parse_in();
1262   run();
1263   return 0;
1264 }