ITMO/OPD/OPDLab4/guide.md

# Гайд по 4 лабораторной работе по ОПД

---

## Содержание

- [Введение](#Введение)

- [Стек](#Стек)
  
  - [Основы](#Основные-понятия)
  
  - [Реализация в БЭВМ](#Базовая-ЭВМ)

- [Подпрограммы](#Подпрограммы)

- [Команды](#Команды)
  
  - [Адресация относительно стека](#Косвенная-относительная-адресация-со-смещением-относительно-SP)
  
  - [POP](#POP)
  
  - [POPF](#POPF)
  
  - [PUSH](#PUSH)
  
  - [PUSHF](#PUSHF)
  
  - [SWAP](#SWAP)
  
  - [CALL](#CALL)
  
  - [RET](#RET)
  
  - [IRET](#IRET)

- [Источники](#Источники)

---

## Введение

Здесь вкратце описана инфрмация, необходимая для защиты 4 лабы по ОПД.

## Стек

### Основные понятия

> **Стек** - это структура данных, рабтающая по принципу LIFO (Last-In-First-Out), или "последним зашёл, первым вышел".

Стек можно представить как стопку книг. Книги можно ставить друг на друга только сверху, и чтобы достать какую-то определённую книгу, придётся сначала снять все остальные.

В основном для взаимодействия со стеком используются два действия: положить на стек и снять со стека.

### Базовая ЭВМ

*Всё, что описано ниже, верно для актуальной версии эиулятора базовой ЭВМ (bcomp-ng v1.45.09).*

Для взаимодействия со стеком используется ряд команд, среди которых [POP](#POP), [POPF](#POPF), [PUSH](#PUSH), [PUSHF](#PUSHF) и [SWAP](#SWAP). Все они подробно рассмотрены ниже.

Сам стек распологается в последних ячейках памяти БЭВМ (точнее, он заполняется, начиная с последней ячейки памяти). Для управления стеком используется 11-разрядный регистр указателя стека (Stack Pointer - SP), который показывает последнюю заполненную ячейку стека. По умолчанию значение SP равно 0, что означает, что стек пуст (*также это можно рассматривать и с другой стороны: указатель стека ставится на одну ячейку ниже той, в которую будет записано следующее его значение, и тогда 0 в SP будет образовываться из-за переполнения, а точнее добавления 1 к номеру последней ячейки памяти, то есть 7FF*). 

## Подпрограммы

*Всё, что описано ниже, верно для актуальной версии эиулятора базовой ЭВМ (bcomp-ng v1.45.09).*

В актуальной версии БЭВМ подпрограммы являются некой мини-программой, которую удобно применять в случае, если какие-либо однотипные действия в основной программе выполняются по несколько раз.

Для вызова подпрограммы и возврата из неё предусмотрен ряд команд, среди которых [CALL](#CALL), [RET](#RET), [IRET](#IRET).

В БЭВМ использование подпрограмм сильно переплетено с использованием стека. В основном стек используется для временного хранения каких-либо данных, необходимых для выполнения подпрограммы. В частности, в стек записываются адрес возварщения подпрограммы (то есть место, где программа должна будет продолжить выполнение после выполнения подпрограммы), аргументы подпрограммы и результаты выполнения подпрограммы.

Для передачи аргументов для подпрограммы необходимо перед вызовом подпрограммы загрузить в стек необходимо количество параметров, а в подпрограмме выполнить с этими аргументами необходимые действия. При этом в подпрограмме в данном случае для взаимодействия со стеком используется специальный [режим адресации относительно стека]() (впрочем, данный режим адресации можно использовать не только в подпрограмме). После этого результат выполнения подпрограммы может быть записан в те же ячейки стека, где передавались аргументы, и завершить работу подпрограммы. Также стоит отметить, что передавать аргументы для подпрограммы можно не только через стек, но и используя регистры общего назначения (к сожалению, в БЭВМ он только один, и это AC).

## Команды



### Косвенная относительная адресация со смещением относительно SP

В третем ниббле имеет код C (в двоичной системе соответственно 1100), то есть имеет вид XCXX.

В ассемблере БЭВМ обозначается как &M или (SP+M), никакой разницы между данными обозначениями нет.

Как и любая другая косвенная адресация, имеет максимально 255 полученных через смещение ячеек, из которых 128 отрицательных (и не имеют практического применения из-за особенностей стека). Таким образом, максимальное количество ячеек, к которым можно получить доступ с помощью данной адресации - это 127.

#### Цикл выборки адреса

- 1 такт: **SXT_CR(0..7) -> BR**
  
  - По фронту происходит дополнение знака в АЛУ *(то есть значения битов 15..8 становятся равными биту 7, где отсчет битов ведётся справа налево начиная с 0)*.
  - По спаду результат записывается в буферный регистр.

- 2 такт: **BR + SP -> DR**
  
  - По фронту начение буферного регистра суммируется со значением указателя стека в АЛУ.
  - По спаду результат записывается в регистр данных.

#### Цикл выборки операнда

- 1 такт: **DR -> AR**
  
  - По фронту пускает значение из регистра данных через АЛУ.
  - По спаду записывает это значение в адресный регистр.

- 2 такт: **MEM(AR) -> DR**
  
  - По фронту находит ячейку в памяти по адресу.
  - По спаду записывает значение этой ячейки в регистр данных.



### POP

Код: 0800.

Выгружает верхнее значение стека в аккумулятор.

Безадресная команда.

#### Цикл выборки операнда

- 1 такт: **SP -> AR**
  
  - По фронту пускает значение регистра через АЛУ.
  
  - По спаду записывает его в адрсный регистр.

-  2 такт: **MEM(AR) -> DR**
  
  - По фронту находит по адресу ячейку.
  
  - По спаду записывает значение этой ячейки в регистр данных.

#### Цикл исполнения

- 1 такт: **DR -> AC**
  
  - По фронту пускает значение регистра данных через АЛУ.
  
  - По спаду запишет его в аккумулятор.

- 2 такт: **SP + 1 -> SP**
  
  - По фронту пустит значение указателя стека в АЛУ и прибавит 1.
  
  - По спаду запишет полученное значение в указатель стека.

*После выполнения поставит флаги в соответствии с выгруженным значением, при этом не изменив флаг переноса и обнулив флаг переполнения*.

Цикл выборки адреса выполняться не будет, так как команда безадресная.



### POPF

Код: 0900.

Выгружает верхнее значение стека в регистр состояния.

Безадресная команда.

#### Цикл выборки операнда

- 1 такт: **SP -> AR**
  
  - По фронту пускает значение регистра через АЛУ.
  - По спаду записывает его в адрсный регистр.

- 2 такт: **MEM(AR) -> DR**
  
  - По фронту находит по адресу ячейку.
  - По спаду записывает значение этой ячейки в регистр данных.

#### Цикл исполнения

- 1 такт: **DR -> PS**
  
  - По фронту пустит значение регистра данных в АЛУ.
  
  - По спаду запишет это значение в регистр состояния.

- 2 такт: **MEM(AR) -> DR**
  
  - По фронту находит по адресу ячейку.
  - По спаду записывает значение этой ячейки в регистр данных.

*Флаги, соответственно, возьмутся из регистра состояния.*

Цикл выборки адреса выполняться не будет, так как команда безадресная.



### PUSH

Код: 0C00.

Загружает значение аккумулятора на вершину стека.

Безадресная команда.

#### Цикл исполнения

- 1 такт: **AC -> DR**
  - По фронту пустит значение аккумулятора через АЛУ.
  
  - По спаду запишет его в регистр данных.
- 2 такт: **~0 + SP -> SP, AR**
  - По фронту прибавит в АЛУ к значению указателя стека ~0 (то есть -1).
  
  - По спаду запишет это значение в указатель стека и адресный регистр.
- 3 такт: **DR -> MEM(AR)**
  - По фронту найдёт ячейку по адресу.
  
  - По спаду запишет значение регистра данных в эту ячейку.

*Не меняет флаги*.

Цикл выборки адреса выполняться не будет, так как команда безадресная.

Цикл выборки операнда выполняться не будет, так как нужное нам значение уже записано в аккумуляторе.



### PUSHF

Код: 0D00.

Загружает значение регистра состояния на вершину стека.

Безадресная команда.

#### Цикл исполнения

- 1 такт: **PS -> DR**
  
  - По фронту пустит значение регистра состояния через АЛУ.
  
  - По спаду запишет это значение в регистр данных.

-  2 такт: **~0 + SP -> SP, AR**
  
  - По фронту прибавит в АЛУ к значению указателя стека ~0 (то есть -1).
  - По спаду запишет это значение в указатель стека и адресный регистр.

- 3 такт: **DR -> MEM(AR)**
  
  - По фронту найдёт ячейку по адресу.
  - По спаду запишет в эту ячейку значение регистра данных.

*Не меняет флаги*.

Цикл выборки адреса выполняться не будет, так как команда безадресная.

Цикл выборки операнда выполняться не будет, так как нужное нам значение уже записано в регистре состояния.



### SWAP

Код: 0E00.

Меняет местами значение аккумулятора и верхнее значение стека.

Безадресная команда.

#### Цикл исполнения

- 1 такт: **SP -> AR**
  
  - По фронту пустит значение указателя стека через АЛУ.
  
  - По спаду запишет это значение в адресный регистр.

- 2 такт: **MEM(AR) -> DR**
  
  - По фронту найдёт ячейку по адресу.
  
  - По спаду запишет значение этой ячейки в регистр данных.

- 3 такт: **DR -> BR**
  
  - По фронту пустит значение регистра данных через АЛУ.
  
  - По спаду запишет это значение в буферный регистр.

- 4 такт: **AC -> DR**
  
  - По фронту пустит значение аккумулятора через АЛУ.
  
  - По спаду запишет это значение в регистр данных.

- 5 такт: **BR -> AC; DR -> MEM(AR)**
  
  - По фронту пустит значение буферного регистра через АЛУ, а также найдет ячейку по адресу.
  
  - По спаду запишет значение из АЛУ в аккумулятор, а также запишет значение регистра данных в ячейку памяти.

*Ставит флаги по загруженному значению, не меняя флаг переноса и обнуляя флаг переполнения.*

Цикл выборки адреса выполняться не будет, так как команда безадресная.

Цикл выборки операнда выполняться не будет, так как нужное нам значение уже записано в аккумуляторе.



### CALL

Код: DXXX.

Вызывает подпрограмму по заданному адресу.

Адресная команда.

*Цикл выборки адреса и цикл выборки операнда зависят от типа адресации.*

#### Цикл исполнения

- 1 такт: **DR -> BR**
  
  - По фронту пустит значение регистра данных через АЛУ.
  
  - По спаду запишет это значение в буферный регистр.

- 2 такт: **IP -> DR**
  
  - По фронту пустит значение счетчика команд через АЛУ.
  
  - По спаду запишет это значение в регистр данных.

- 3 такт: **BR -> IP**
  
  - По фронту пустит значение буферного регистра через АЛУ.
  
  - По спаду запишет это значение в счетчик команд.

- 4 такт: **~0 + SP -> SP, AR**
  
  - По фронту прибавит в АЛУ к значению указателя стека ~0 (то есть -1).
  
  - По спаду запишет это значение в указатель стека и адресный регистр.

- 5 такт: **DR -> MEM(AR)**
  
  - По фронту найдёт ячейку по адресу.
  
  - По спаду запишет в эту ячейку значение регистра данных.

*Не меняет флаги*.



### RET

Код: 0A00.

Прекращает выполнение подпрограммы.

Безадресная команда.

#### Цикл выборки операнда

- 1 такт: **SP -> AR**
  
  - По фронту пустит значение указателя стека через АЛУ.
  
  - По спаду запишет это значение в адресный регистр.

- 2 такт: **MEM(AR) -> DR**
  
  - По фронту найдёт ячейку по адресу.
  
  - По спаду запишет значение этой ячейки в регистр данных.

#### Цикл исполнения

- 1 такт: **DR -> IP**
  
  - По фронту пустит значение регистра данных в АЛУ.
  
  - По спаду запишет это значение в счетчик команд.

- 2 такт: **SP + 1 -> SP**
  
  - По фронту пустит значение указателя стека в АЛУ и прибавит 1.
  
  - По спаду запишет полученное значение в указатель стека.

*Не меняет флаги.*

Цикл выборки адреса выполняться не будет, так как команда безадресная.



### IRET

Код: 0B00.

Записывает верхнее значение стека в регистр состояния, а после прекращает выполнение подпрограммы.

Безадресная команда.

#### Цикл выборки операнда

- 1 такт: **SP -> AR**
  
  - По фронту пустит значение указателя стека через АЛУ.
  
  - По спаду запишет это значение в адресный регистр.

- 2 такт: **MEM(AR) -> DR**
  
  - По фронту найдёт ячейку по адресу.
  
  - По спаду запишет значение этой ячейки в регистр данных.

#### Цикл исполнения

- 1 такт: **DR -> PS**
  
  - По фронту пустит значение регистра данных в АЛУ.
  
  - По спаду запишет это значение в регистр состояния.

- 2 такт: **SP + 1 -> SP, AR**
  
  - По фронту пустит значение указателя стека в АЛУ и прибавит 1.
  
  - По спаду запишет полученное значение в указатель стека и в адресный регистр.

- 3 такт: **MEM(AR) -> DR**
  
  - По фронту найдёт ячейку по адресу.
  
  - По спаду запишет значение этой ячейки в регистр данных.

- 4 такт: **DR -> IP**
  
  - По фронту пустит значение регистра данных в АЛУ.
  
  - По спаду запишет это значение в счетчик команд.

- 5 такт: **SP + 1 -> SP**
  
  - По фронту пустит значение указателя стека в АЛУ и прибавит 1.
  
  - По спаду запишет полученное значение в указатель стека.

*Флаги, соответственно, возьмутся из регистра состояния.*

Цикл выборки адреса выполняться не будет, так как команда безадресная.

---

## Источники

[Методические указания к предмету](https://se.ifmo.ru/documents/10180/38002/Методические+указания+к+выполнению+лабораторных+работ+и+рубежного+контроля+БЭВМ+2019+bcomp-ng.pdf/d5a1be02-ad3f-4c43-8032-a2a04d6db12e)

[Подсказка от моего друга и одногруппника](https://github.com/dxunvrs/ITMO/blob/master/OPD/Lab4/lab4_hint.md)

И конечно всеми любый гугл (вообще, яндекс поисковик, но это не важно).