法政大学国際文化学部

情報システム概論

担当　重定　如彦

2008年11月11日

 

第7回　機械語によるプログラミング　その３

1.      前回の課題の答え

１                                       ＳＴＡＲＴ

２                                       ＬＤ                     ＧＲ１，　Ａ

３　　　　　　　　　　　ＬＥＡ　　　　　ＧＲ２，　０

４　　　ＬＯＯＰ　　　　ＳＵＢ　　　　　ＧＲ１，　Ｂ

５　　　　　　　　　　　ＪＭＩ                  ＡＮＳ

６                                       ＬＥＡ                  ＧＲ２，　１，　ＧＲ２

７　　　　　　　　　　　ＪＭＰ　　　　　ＬＯＯＰ

８           ＡＮＳ                  ＳＴ                     ＧＲ２，　Ｃ

９　　　　　　　　　　　ＡＤＤ　　　　　ＧＲ１，　Ｂ

１０                                   ＳＴ                     ＧＲ１，　Ｄ

１１                                   ＥＸＩＴ

１２       Ａ                         ＤＣ                     １０

１３       Ｂ                         ＤＣ                     ３

１４       Ｃ                         ＤＳ                     １

１５       Ｄ                         ＤＳ                     １

１６                                   ＥＮＤ

まず１２、１３行目で１０と３をメモリのＡ番地とＢ番地に格納し、１４、１５行目で答えを格納する場所をメモリのＣ番地とＤ番地に用意します。２行目でＡ番地の内容をＧＲ１に代入し，３行目でＧＲ１からＢ番地の内容を何回引いたかを数えるＧＲ２の内容を０で初期化します。４〜８行目がループで、４行目でＧＲ１からＢ番地の内容を引き算し、結果が負であった場合は、５行目で答えを代入する　ＡＮＳ　番地へジャンプします。結果が負でなかった場合は、引いた回数を数えるＧＲ２に１を足し８行目で４行目へ無条件でジャンプし、繰り返しを続行します。ループが終了した時点で答えが計算されているはずなのですが、ＧＲ１の値は余分に一回Ｂ番地の内容が引かれたているため９行目でＢ番地の内容を足し算し、答えを格納しプログラムは終了です。このプログラムではループの最初でループを抜けるための条件分岐を行っている点に注意して下さい。

2.      アドレッシング

これまでの解説した機械語の命令のオペランドの部分には、（LEA命令と条件分岐命令を除いて）すべて計算する値が格納されているレジスタ又はメモリのアドレスを記述しました。実際の機械語では、このオペランドの部分にこれ以外の様々な方法で計算する値を指定する方法が用意されています。この命令コードが計算する値を指定する方法をアドレッシングと呼びます。アドレッシングには以下のような種類があります。

·           即値アドレス指定方式

　オペランドの部分にアドレスではなく、命令コードの計算の対象となるデータを直接記述する方式です。ＣＡＳＬの場合、ＬＥＡ命令の第２オペランドがこれに相当します。

　　　　ＬＥＡ　　ＧＲ１，　２０

　例えば上記の命令はＧＲ１に２０という数値そのものを代入するという意味を持ちます。

·           直接アドレス指定方式

　オペランドの部分に命令コードの計算の対象となるデータが格納されているメモリのアドレスを記述する方式です。ＣＡＳＬの場合、ロード・ストア命令、加算、減算命令など多くの命令の第２オペランドがこれに相当します。

　　　　ＡＤＤ    　ＧＲ１，　２０

　例えば上記の命令はＧＲ１にメモリの２０番地に格納されている数値を加算します。

　アセンブラ言語によっては、即値アドレス指定方式と直接アドレス指定方式を区別するために、直接アドレス指定方式の場合、アドレスの数値の前後に（）を以下のように記述する場合があります。（注：CASLではこのような記述は行いません）

　　　　ＡＤＤ　　ＧＲ１，　（２０）

·           （自己）相対アドレス指定方式

　命令コードが記述されているメモリのアドレスに、オペランド部分で記述されている数値を加算したアドレスの内容を命令コードの計算の対象とする方式です。

　例えば命令コードに対応する機械語命令が２０００番地に格納されており、オペランドに２０という数値が記述されていた場合、相対アドレス指定方式では、２０００＋２０＝２０２０番地の内容を計算の対象とします。相対アドレス指定方式は、リロケータブルなプログラム（メモリの任意の場所にプログラムを置くことができるプログラムのこと）を作成する際に用いられます。なお、ＣＡＳＬには相対アドレス指定方式を使用する命令コードはありません。

　〜なぜ相対アドレス指定方式を使うとリロケータブルなプログラムになるのか？〜

　例えば、メモリのＡ番地の内容を汎用レジスタ１に読み込むというプログラムを直接アドレス指定方式で記述し、アセンブルした結果、下記の番地に機械語のプログラムが作成されたとします。

　　０番地　　　　　ＬＤ　　ＧＲ１，　２　　；　メモリの２番地の内容をＧＲに代入

２番地　　　　　ＤＣ　　１０

このプログラムをメモリの別の番地、例えば１００へ移動させると以下のようになります。

　　１００番地　　ＬＤ　　　ＧＲ１，　２　　；　メモリの２番地の内容をＧＲに代入

１０２番地　　ＤＣ    　　１０

　プログラムを格納する場所を移動させるとそれに伴い元々２番地に格納されていた１０というデータが１０２番地に移ってしまいますが、プログラムの中ではＧＲ１に代入するメモリの番地をそのまま記述しているので、このプログラムでは依然として２番地の内容をＧＲ１に格納することになってしまい、元のプログラムと違う動作を行ってしまいます。

　一方もし、このプログラムの　　　　ＬＤ　ＧＲ１，　２　　　の　２　の部分が相対アドレス指定方式で記述されていた場合、これは、自分のアドレス＋２番地のアドレスの内容をＧＲ１に格納するという意味を持ちます。この命令が記述されているメモリのアドレスと、ＧＲ１に格納したいデータが記述されているメモリのアドレスの差は一定（＝２）なので、このプログラムをどこへ移動させてもこのプログラムは正しく動作するのです。

·           レジスタアドレス指定方式

　オペランド部に汎用レジスタの番号を指定し、そのレジスタに格納されているアドレスの内容を命令コードの操作の対象とする方式です。例えば、ＧＲ１に　２０００　という数値が記述されていた場合、レジスタアドレス指定方式では　ＧＲ１　を指定することで、メモリの２０００番地の内容を計算の対象とします。レジスタアドレス指定方式をアセンブラ言語で記述する場合、一般的に以下のようにアドレスを格納するレジスタの部分を直接アドレス方式の場合と同様に（）で括って記述する場合があります。

ＬＤ　　ＧＲ２，　（ＧＲ１）　　；ＧＲ１番地の内容をＧＲ２に代入
　なお、ＣＡＳＬにはレジスタアドレス指定方式を使用する命令コードはありません。

·           間接アドレス指定方式

　オペランド部分にメモリのアドレスを指定するところまでは直接アドレス指定方式と同じですが、間接アドレス方式では、指定したメモリのアドレスに格納されている数値をさらにメモリのアドレスとみなし、その数値のアドレスの内容を計算の対象とします。

　例えばメモリの１０００番地に２０００、２０００番地に３０００という数字が格納されていた場合、間接アドレス指定方式で　１０００　と指定することで、まずメモリの１０００番地の内容を調べ、次にその内容である２０００をメモリのアドレスとみなし、その内容である３０００を計算の対象とします。間接アドレス指定方式をアセンブラ言語で記述する場合、一般的に以下のように２重に（）で括って記述する場合があります。

 

ＬＤ　ＧＲ１，（（１０００））　；（１０００番地の内容）の番地の内容をＧＲ１に代入
　なお、ＣＡＳＬには間接アドレス指定方式を使用する命令コードはありません。

·           指標アドレス指定方式

　直接アドレス指定方式に似ていますが、指定したアドレスに特定の汎用レジスタの内容を加えたアドレスの内容を計算の対象とします。この時に使われる汎用レジスタのことを指標レジスタと呼びます。指標アドレス指定方式は、隣り合ったメモリの内容の計算を行う場合などに使われます。ＣＡＳＬでは指標アドレス指定方式を使うことができます。

3.      指標アドレス指定方式を使ったプログラム例

　ＣＡＳＬでは、多くの命令コードの第３オペランドに指標レジスタとして汎用レジスタを記述することで、指標アドレス指定方式でアドレスを指定することができます。

　　　　ＬＤ　　　ＧＲ１，　Ａ，　ＧＲ２

例えば上記のプログラムはメモリの（Ａ＋汎用レジスタ２の内容）番地の内容を汎用レジスタ１に代入するという意味を持ちます。

なお、ＣＡＳＬでは、指標レジスタにとして汎用レジスタ０（つまりＧＲ０）を使用できないという仕様になっているので注意して下さい。また、第３オペランドを省略した場合は、直接アドレス指定方式で記述されたものとみなされます。

それでは、例としてメモリのＡ番地からＡ＋４番地までの５個のアドレスに格納されている数値を足し算し、メモリのＢ番地に格納するという動作を行うプログラムを指標アドレス指定方式使って記述してみましょう。

１                                START

２                                LEA       GR1，0                ；ＧＲ１に０を代入

３                                LEA       GR2，4                ；ＧＲ２に４を代入

４                  LOOP     ADD       GR1，A, GR2       ；ＧＲ１にＡ＋ＧＲ２番地の内容を足す

５                                LEA       GR2，-1，GR2     ；ＧＲ２から１を引く

６                                JPZ         LOOP                   ；演算結果が負でなければLOOPへ

７                                ST          GR1，B                ；ＧＲ１の内容をＢ番地に格納

８                                EXIT                                  ；プログラム終了

９                  A            DC         1                          ；Ａ番地に１を代入

１０                            DC         2                          ；Ａ＋１番地に２を代入

１１                            DC         3                          ；Ａ＋２番地に３を代入

１２                            DC         4                          ；Ａ＋３番地に４を代入

１３                            DC         5                          ；Ａ＋４番地に５を代入

１４              B            DS          1                          ；結果を格納するＢ番地を用意する

１５                            END

まず、９〜１３行目で、メモリのＡ番地からＡ＋４番地までにそれぞれ１，２，３，４，５という数値を格納します。このようにＣＡＳＬでは隣り合った行にＤＣ命令を記述するとそのデータは隣り合ったメモリの番地に格納されることになっています。また、１４行目で計算結果を格納するメモリのＢ番地を用意しています。

プログラムでは、計算の途中結果をＧＲ１に格納し、ＧＲ２指標レジスタとして使用することにします。そして、ＧＲ２の内容を４から０まで１ずつ減らすことによって、Ａ＋４番地からＡ番地の内容の合計を計算することにします。

まず、２行目でＧＲ１の内容を０で初期化し、ＧＲ２の内容を４にします。４〜６行目がループになっており、ループでは

　　　４行目　　　ＧＲ１の内容に　Ａ＋ＧＲ２　番地の内容を加算する

　　　５行目　　　ＧＲ２の内容を１減らす

　　　６行目　　　ＧＲ２の内容が０以上ならば４行目に戻る

という動作が繰り返し行われます。このループを一回行う度に、ＧＲ２の値が４，３，２，１，０，−１と一つずつ減っていき、−１になった時点でループを終了するので、結果としてＧＲ１の中にはメモリのＡ番地からＡ＋４番地の内容の合計が格納されることになります。そして７行目で答えであるＧＲ１の内容をメモリのＢ番地に格納しています。

4.      その他の命令

　これまで解説しなかった命令について解説します。

·           比較演算命令

　比較命令は、第一オペランドで指定した汎用レジスタの内容と第二オペランドで指定したメモリのアドレスの内容を比較し、その結果をフラグレジスタ（ＦＲ）に反映させる命令です。比較演算命令は数値の比較のみを行なう命令で、結果はＦＲにのみ反映されます。従ってレジスタやアドレスの内容は変化しない点に注意して下さい。なお、この命令を実行後のフラグの状態の覚え方は、ＳＵＢ命令と同じであると覚えればよいでしょう。



命令

命令コード

オペランド

意味

算術比較

ＣＰＡ

ＧＲ、　ａｄｒ

ＧＲとａｄｒ番地の内容の算術比較を行う

論理比較

ＣＰＬ

ＧＲ、　ａｄｒ

ＧＲとａｄｒ番地の内容の論理比較を行う

 

 

ＧＲ＞ａｄｒ

ＧＲ＝ａｄｒ

ＧＲ＜ａｄｒ

ＦＲの値

（００）２

（０１）２

（１０）２

算術比較と論理比較の違いは、算術比較では数値を２の補数で表現される−３２７６８〜３２７６７の範囲の数値とみなすのに対し、論理比較では数値の符号ビットを無視して、０〜６５５３５の１６ビットの正の整数とみなす点です。慣れない内はとりあえず論理比較命令のことは無視して、算術比較命令のみ使えばよいでしょう。

先ほどのプログラムを算術比較命令を使ってＡ番地からＡ＋４番地の順番で計算するプログラムになおすと以下のようになります。前と変わった部分を灰色で表示しています。

１                                START

２                                LEA       GR1，0                ；ＧＲ１に０を代入

３                                LEA       GR2，0                ；ＧＲ２に０を代入

４                  LOOP     ADD       GR1，A, GR2       ；ＧＲ１にＡ＋ＧＲ２の内容を足す

５                                LEA       GR2，1，GR2      ；ＧＲ２に１を足す

６                                CPA        GR2, C                 ；ＧＲ２とＣ番地の内容を比較

７                                JNZ        LOOP                   ；ＧＲ２＜Ｃ番地であればLOOPへ

８                                ST          GR1，B                ；ＧＲ１の内容をＢ番地に格納

９                                EXIT                                  ；プログラム終了

１０              A            DC         1                          ；Ａ番地に１を代入

１１                            DC         2                          ；Ａ＋１番地に２を代入

１２                            DC         3                          ；Ａ＋２番地に３を代入

１３                            DC         4                          ；Ａ＋３番地に４を代入

１４                            DC         5                          ；Ａ＋４番地に５を代入

１５              B            DS          1                          ；結果を格納するＢ番地を用意する

１６              C            DC         5                          ；繰り返しの回数を格納

１７                            END

·           シフト演算命令

シフト演算命令は第一オペランドで指定した汎用レジスタの内容を第二オペランドで指定した内容の数だけビット数をずらすという動作を行います。

命令

命令コード

オペランド

意味

算術左シフト

ＳＬＡ

ＧＲ、　数値

ＧＲの内容を符号部を残して数値ビットだけ左にシフト

算術右シフト

ＳＲＡ

ＧＲ、　数値

ＧＲの内容を符号部を残して数値ビットだけ右にシフト

論理左シフト

ＳＬＬ

ＧＲ、　数値

ＧＲの内容を符号部を含めて数値ビットだけ左にシフト

論理右シフト

ＳＲＬ

ＧＲ、　数値

ＧＲの内容を符号部を含めて数値ビットだけ右にシフト

１ビット左にシフトすると数値は２倍になり、１ビット右にシフトすると数値は１／２倍になるので、２のｎ乗（２，４，８，１６，３２．．．）の掛け算や割り算を行う場合はビットシフト命令を使うと便利です。なお、算術シフトと論理シフトの違いは算術比較と論理比較の場合と同様で、算術シフトは符号部分のビットを残したままシフト、論理シフトは符号部のビットも含めてシフトするという意味を持ちます。

例えば

　　　ＳＬＡ　　　ＧＲ１，　３

と記述するとＧＲ１の内容が２の３乗倍、すなわち２＊２＊２＝８倍になります。

5.      課題

以下のプログラムを作り実行せよ。また、作成したプログラムをＧドライブにkadai3という名前で保存し課題のメールとして添付ファイルでta080017@mail.edu.i.hosei.ac.jpへ送ること。

メモリのＡ番地からＡ＋４番地までに正の数字を入力し、その中で最も大きな数をみつけ、メモリのＢ番地に格納するプログラムを作りなさい。
　Ａ〜Ａ＋４番地に５，７，３，６，２を代入し、作成したプログラムを実行し、メモリのＢ番地に正しい答えが格納されていることを確かめよ。
　ヒント：基本的なプログラムの構造はＡ〜Ａ＋４番地の合計を求めるプログラムと同じ。ＧＲ１を答えを格納する汎用レジスタとして利用する場合、最初にＧＲ１に０を代入する。そして、繰り返し部分ではＧＲ１とＡ〜Ａ＋４番地を比較しＧＲ１のほうが小さければＧＲ１にアドレスの中身を代入すればよい。

6.      授業で説明した全命令

以下に授業で解説したＣＡＳＬの命令を表にまとめます。それぞれの命令の意味についてはこれまでのプリントを参照して下さい。表のオペランドの部分の記号は以下の意味を持ちます。また、ＦＲの欄に○が記述されている命令は、その命令を実行した結果、フラグレジスタの内容が変化することを意味します。［，ＸＲ］と記述されている部分はその部分を省略できることを表します。

命令

命令コード

オペランド

ＦＲ

アドレッシング

ロードストア命令

ロード

ＬＤ

ＧＲ，ａｄｒ［，ＸＲ］

×

直接アドレス指定

ストア

ＳＴ

ＧＲ，ａｄｒ［，ＸＲ］

×

直接アドレス指定

ロードアドレス命令

ロードアドレス

ＬＥＡ

ＧＲ，数値［，ＸＲ］

○

即値アドレス指定

算術、論理命令

算術加算

ＡＤＤ

ＧＲ，ａｄｒ［，ＸＲ］

○

直接アドレス指定

算術減算

ＳＵＢ

ＧＲ，ａｄｒ［，ＸＲ］

○

直接アドレス指定

論理積

ＡＮＤ

ＧＲ，ａｄｒ［，ＸＲ］

○

直接アドレス指定

論理和

ＯＲ

ＧＲ，ａｄｒ［，ＸＲ］

○

直接アドレス指定

排他的論理和

ＥＯＲ

ＧＲ，ａｄｒ［，ＸＲ］

○

直接アドレス指定

比較演算命令

算術比較

ＣＰＡ

ＧＲ，ａｄｒ［，ＸＲ］

○

直接アドレス指定

論理比較

ＣＰＬ

ＧＲ，ａｄｒ［，ＸＲ］

○

直接アドレス指定

シフト演算命令

算術左シフト

ＳＬＡ

ＧＲ，数値［，ＸＲ］

○

即値アドレス指定

算術右シフト

ＳＲＡ

ＧＲ，数値［，ＸＲ］

○

即値アドレス指定

論理左シフト

ＳＬＬ

ＧＲ，数値［，ＸＲ］

○

即値アドレス指定

論理右シフト

ＳＲＬ

ＧＲ，数値［，ＸＲ］

○

即値アドレス指定

分岐命令

正分岐

ＪＰＺ

ａｄｒ［，ＸＲ］

×

即値アドレス指定

負分岐

ＪＭＩ

ａｄｒ［，ＸＲ］

×

即値アドレス指定

非零分岐

ＪＮＺ

ａｄｒ［，ＸＲ］

×

即値アドレス指定

零分岐

ＪＺＥ

ａｄｒ［，ＸＲ］

×

即値アドレス指定

無条件分岐

ＪＭＰ

ａｄｒ［，ＸＲ］

×

即値アドレス指定

 

記号

意味

実際に記述する値

ＧＲ

汎用レジスタ

ＧＲ０〜ＧＲ４

ａｄｒ

ａｄｒで指定されたアドレスの内容。

ＸＲが記述されている場合はＸＲの部分で指定された指標レジスタの内容をａｄｒに加算したアドレスの内容。ただし、分岐命令の場合のみ即値アドレス指定な点に注意。

アドレスを表す数値またはラベル

数値

数値。ＸＲが記述されている場合はＸＲの部分で指定された指標レジスタの内容を数値に加算した値。

数値またはラベル

ＸＲ

指標レジスタとして使用する汎用レジスタ

ＧＲ１〜ＧＲ４

アドレッシングの部分に「直接アドレス指定」と書かれているものは、［ＸＲ］を省略した場合です。［ＸＲ］を記述した場合は、指標アドレス指定となります。

出席、課題のメールはta080017@mail.edu.i.hosei.ac.jpにお願いします。

質問のメールなどは、sigesada@edu.i.hosei.ac.jpまでお願いします。

授業の資料の最新版はhttp://www.edu.i.hosei.ac.jp/~sigesada/にあります。