From Nand to Tetris week 7
这次回顾第七章的内容，这一章介绍了虚拟机。
课程官网：
视频地址：
https://www.coursera.org/learn/build-a-computer
Part 1：课程回顾
背景介绍
在最初编写程序的时候，由于不同设备上的机器语言不同，所以就需要编写很多种编译器，这种编译模式如下：
这种模式会给开发人员带来很多额外的工作量，另一种模式是分两阶段编译，这样就产生了虚拟机的概念：
上述两个编译步骤分别对应后续的几个项目：
这周和下周的项目为将虚拟机语言编译成汇编语言的项目，该虚拟机是基于堆栈的，后续将详细介绍。
虚拟机
堆栈（Stack）是一种很简单的数据结构，其功能如下：
在后续讨论中，我们用sp表示栈顶的位置，来看一个利用堆栈实现算数运算的例子：
我们利用堆栈实现虚拟机，该虚拟机支持许多种命令，这一章先介绍算数和逻辑命令以及内存访问命令：
算数和逻辑命令
内存访问命令
Part 2：项目
项目分为Parser和CodeWriter以及主程序：
Parser
这部分的接口如下：
这部分和上一周的汇编编译器非常类似，只要按照要求稍作修改即可：
class Parser():
#命令类型
Arithmetic = ["add", "sub", "neg"]
Logical = ["eq", "gt", "lt", "and", "or", "not"]
def __init__(self, filename):
self.text = []
with open(filename) as f:
for i in f.readlines():
data = i.split()
if len(data) == 0:
pass
elif data[0] == "//":
pass
else:
#防止有空格
data = ' '.join(data)
#删除每行的注释
data = data.replace("//", " ")
data = data.split()
self.text.append(data)
#记录当前位置
self.i = 0
#最大行
self.max = len(self.text)
#当前命令
self.command = ""
def hasMoreCommands(self):
return self.i < self.max
def advance(self):
if self.hasMoreCommands():
self.command = self.text[self.i]
self.i += 1
def commandType(self):
#判断命令类型
if self.command[0] in self.Arithmetic + self.Logical:
return "C_ARITHMETIC"
elif self.command[0] == "push":
return "C_PUSH"
elif self.command[0] == "pop":
return "C_POP"
elif self.command[0] == "label":
return "C_LABEL"
elif self.command[0] == "goto":
return "C_GOTO"
elif self.command[0] == "if-goto":
return "C_IF"
elif self.command[0] == "function":
return "C_FUNCTION"
elif self.command[0] == "call":
return "C_RETURN"
else:
return "C_CALL"
def arg1(self):
if self.commandType() != "C_RETURN":
if self.commandType() == "C_ARITHMETIC":
return self.command[0]
else:
return self.command[1]
else:
return None
def arg2(self):
if self.commandType() in ["C_PUSH", "C_POP", "C_FUNCTION", "C_CALL"]:
return int(self.command[-1])
else:
return NoneCodeWriter
接口如下：
这部分比较难，后面详细介绍。
构造函数
def __init__(self, filename):
#打开文件，设置文件名，文件名的格式：目录/文件名
self.setFileName(filename)
self.file = open(filename + ".asm", "w+")setFileName
def setFileName(self, filename):
#分离文件名
name = filename.split("/")[-1]
self.filename = namewriteArithmetic
算数运算部分涉及较多，下面分别介绍。
add，sub，and，or命令都是二元运算，实现步骤基本一致，这里以add为例，首先使用汇编语言实现
//更新栈顶位置
@SP
M=M-1
//移动至栈顶
@SP
A=M
//将b存储至D
D=M
//移动到a的位置
@SP
A=M-1
//运算
M=M+D对应的代码为
if command == "add" or command == "sub" or command == "and" or command == "or":
self.file.write("@SP\n")
self.file.write("M=M-1\n")
self.file.write("@SP\n")
self.file.write("A=M\n")
self.file.write("D=M\n")
self.file.write("@SP\n")
self.file.write("A=M-1\n")
if command == "add":
self.file.write("M=M+D\n")
elif command == "sub":
self.file.write("M=M-D\n")
elif command == "and":
self.file.write("M=M&D\n")
else:
self.file.write("M=M|D\n")neg和not都非常简单：
elif command == "neg":
self.file.write("@SP\n")
self.file.write("A=M-1\n")
self.file.write("M=-M\n")
elif command == "not":
self.file.write("@SP\n")
self.file.write("A=M-1\n")
self.file.write("M=!M\n")eq，gt，lt部分当时思考了很久，关键点是要实现分支结构，需要使用汇编语言中的标签，这里以eq为例：
//修改SP
@SP
M=M-1
D=M
@SP
A=M
D=M
@SP
A=M-1
//x-y
D=M-D
//设置默认值为False
@SP
A=M
M=0
//如果条件成立则走到SETcnt
@SETcnt
//判断
D;JEQ
//如果条件不成立则走到NEXTcnt
@NEXTcnt
0;JMP
//条件成立则将值修改为True
(SETcnt)
@SP
A=M-1
M=-1
(NEXTcnt)对应的代码为
elif command == "eq" or command == "gt" or command == "lt":
#修改栈顶
self.file.write("@SP\n")
self.file.write("M=M-1\n")
self.file.write("D=M\n")
#存储值
self.file.write("@SP\n")
self.file.write("A=M\n")
self.file.write("D=M\n")
self.file.write("@SP\n")
self.file.write("A=M-1\n")
#计算x-y
self.file.write("D=M-D\n")
#设置为false
self.file.write("@SP\n")
self.file.write("A=M-1\n")
self.file.write("M=0\n")
self.file.write("@SET" + str(self.cnt) + "\n")
if command == "eq":
self.file.write("D;JEQ\n")
elif command == "gt":
self.file.write("D;JGT\n")
elif command == "lt":
self.file.write("D;JLT\n")
#如果条件不成立则走到NEXT
self.file.write("@NEXT" + str(self.cnt) + "\n")
self.file.write("0;JMP\n")
#分支
self.file.write("(SET" + str(self.cnt) + ")\n")
self.file.write("@SP\n")
self.file.write("A=M-1\n")
self.file.write("M=-1\n")
#跳转
self.file.write("(NEXT" + str(self.cnt) + ")\n")
#计数增加
self.cnt += 1WritePushPop
首先回顾内存结构：
以及涉及的符号含义：
根据参数的不同，Push，Pop也分成几个部分。
push/pop local/argument/this/that i
push constant i
push/pop static i
push/pop temp i
push/pop pointer 0/1
代码如下:
def writePushPop(self, command, segment, index):
self.file.write("//" + " ".join([command, segment, str(index)]) + "\n")
if command == "push":
#第一步获得地址
if segment == "constant":
self.file.write("@" + str(index) + "\n")
self.file.write("D=A\n")
elif segment == "local" or segment == "argument" or segment == "this" or segment == "that":
self.file.write("@" + str(index) + "\n")
self.file.write("D=A\n")
if segment == "local":
self.file.write("@LCL\n")
elif segment == "argument":
self.file.write("@ARG\n")
elif segment == "this":
self.file.write("@THIS\n")
else:
self.file.write("@THAT\n")
self.file.write("A=D+M\n")
self.file.write("D=M\n")
elif segment == "temp":
self.file.write("@" + str(5 + index) + "\n")
self.file.write("D=M\n")
elif segment == "pointer":
if index == 0:
self.file.write("@THIS\n")
else:
self.file.write("@THAT\n")
self.file.write("D=M\n")
elif segment == "static":
self.file.write("@" + self.filename + str(index) + "\n")
self.file.write("D=M\n")
#栈顶
self.file.write("@SP\n")
self.file.write("A=M\n")
self.file.write("M=D\n")
#修改栈顶
self.file.write("@SP\n")
self.file.write("M=M+1\n")
#增加换行
self.file.write("\n")
elif command == "pop":
#获得值
self.file.write("@SP\n")
self.file.write("M=M-1\n")
self.file.write("A=M\n")
self.file.write("D=M\n")
if segment == "local" or segment == "argument" or segment == "this" or segment == "that":
#存储数据
self.file.write("@R13\n")
self.file.write("M=D\n")
#转移
self.file.write("@" + str(index) + "\n")
self.file.write("D=A\n")
if segment == "local":
self.file.write("@LCL\n")
elif segment == "argument":
self.file.write("@ARG\n")
elif segment == "this":
self.file.write("@THIS\n")
else:
self.file.write("@THAT\n")
#相对位置
self.file.write("D=D+M\n")
#存储位置
self.file.write("@R14\n")
self.file.write("M=D\n")
#获取数据
self.file.write("@R13\n")
self.file.write("D=M\n")
#转移
self.file.write("@R14\n")
self.file.write("A=M\n")
self.file.write("M=D\n")
elif segment == "temp":
self.file.write("@" + str(5 + index) + "\n")
self.file.write("M=D\n")
elif segment == "pointer":
if index == 0:
self.file.write("@THIS\n")
elif index == 1:
self.file.write("@THAT\n")
self.file.write("M=D\n")
elif segment == "static":
self.file.write("@" + self.filename + str(index) + "\n")
self.file.write("M=D\n")
#增加换行
self.file.write("\n")Close
def close(self):
self.file.close()主程序
from Parser import Parser
from CodeWriter import CodeWriter
import sys
if __name__ == "__main__":
if len(sys.argv) != 2:
print("Error")
sys.exit(1)
#划分输入
data = sys.argv[-1].split("/")
#文件名
filename = data[-1]
#不带后缀的文件名
name = filename.split(".")[0]
#输入
name1 = './' + '/'.join(data)
name2 = './' + '/'.join(data[:-1] + [name])
#构造类
parser = Parser(name1)
codewrite = CodeWriter(name2)
while parser.hasMoreCommands():
parser.advance()
command = parser.command[0]
if parser.commandType() == "C_ARITHMETIC":
codewrite.writeArithmetic(command)
elif parser.commandType() == "C_PUSH" or parser.commandType() == "C_POP":
segment = parser.arg1()
index = parser.arg2()
codewrite.writePushPop(command, segment, index)
codewrite.close()注意主程序部分的输入路径格式，这一点要进行处理。
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