Руководство по ассемблеру

Архитектура процессора

Если вы начинаете с нуля и хотите системный маршрут, начните со статьи «Как выучить ассемблер с нуля». На 16-м уровне вы собираете 8-битный компьютер по гарвардской архитектуре с раздельной памятью команд и данных:

• ROM (256 байт) — память инструкций. Читается счётчиком команд (PC). Содержит скомпилированную программу.
• RAM (256 байт) — память данных. Чтение/запись по адресу (4-битный операнд инструкции).
• ProgramCounter — счётчик команд. Инкрементируется (+1) на каждом такте (по фронту Clock), либо перезаписывается при JMP/JZ.
• ALU8 — арифметико-логическое устройство: ADD, SUB, AND, OR над аккумулятором и RAM. Выдаёт флаг Zero.
• Register8 — аккумулятор. Хранит результат текущей операции.
• Clock — тактовый генератор. Один цикл инструкции = 2 тика (фронт + спад).
• Decoder — комбинационная схема (NOT/AND/OR), преобразует opcode в управляющие сигналы.

Панель ассемблера

При наличии ROM на схеме в правой панели появляется вкладка «Ассемблер». Она содержит:

• Тулбар — «▶ Выполнить», «⏭ Шаг», «⟲ Сброс», фаза такта и строка статуса в одном ряду. «Выполнить» компилирует программу в байты, записывает в ROM, сбрасывает PC в 0 и запускает тактирование; повторный клик ставит прогон на паузу. При ошибке компиляции показывается сообщение, выполнение не начинается.
• Редактор кода — текстовое поле с подсветкой синтаксиса, занимает остаток панели. Комментарии через ;. Слева от строк-инструкций выведены hex-адреса: клик по адресу ставит или снимает брейкпоинт (красная точка). Строки без инструкции (метки, комментарии) адреса не имеют. Правка кода после запуска приглушает адреса до следующей компиляции.
• Журнал — раскрываемый лог с префиксами: [Asm] — компиляция, [CPU] — ход выполнения, [HLT] — останов, [BP] — брейкпоинты и правки RAM. Сюда же попадают ошибки компиляции.
• Справка — раскрываемая таблица команд и синтаксиса.

Отладчик

Блок отладчика показывает реальное состояние схемы — не модель, а те самые узлы PC, Register8 и RAM, которые вы соединили проводами.

• Регистры — строка под тулбаром: PC, ACC (аккумулятор), IX (индексный регистр), флаги Z и N, счётчик тактов. Обновляется на каждом тике. Если PC указывает за пределы программы, в статусе виден декод инструкции из живого ROM.
• ⏭ Шаг — исполняет одну инструкцию (полный тактовый цикл: фронт + спад). Между полушагами видна фаза: «Выборка» или «Исполнение». Так можно проследить программу команда за командой.
• ⟲ Сброс — обнуляет PC, ACC, IX и RAM, не трогая программу в ROM.
• RAM — раскрываемая сетка 256 ячеек; после первого «Выполнить» раскрывается сама, а если закрыть её вручную, до смены уровня она снова не откроется. Ненулевые ячейки выделены цветом, только что изменённые вспыхивают. Клик по ячейке — правка значения (можно десятичным числом или 0x..), двойной клик переключает формат hex/dec. Изменённое значение сразу видно на схеме.
• Брейкпоинты — клик по hex-адресу слева от строки кода ставит или снимает точку останова; после «Выполнить» автопрогон остановится перед ней. Правка кода приглушает маркеры до перекомпиляции.
• Подсветка строки — текущая исполняемая строка кода подсвечивается в редакторе; прыжки (JMP/JZ) видны сразу.
• HLT — по инструкции останова выполнение паузируется, строка остаётся подсвеченной.

Типичный цикл отладки: «Выполнить» → программа остановилась не там → «Сброс» → «Шаг» до подозрительной команды → смотрим ACC и RAM → правим код → снова «Выполнить».

Формат инструкции

Каждая инструкция — 1 байт. Старшие 4 бита (7:4) — opcode, младшие 4 бита (3:0) — operand (адрес 0–15).

 7 6 5 4  3 2 1 0
┌────────┬─────────┐
│ Opcode │ Operand │
└────────┴─────────┘

Система команд

Правила синтаксиса

• Одна инструкция на строку.
• Мнемоника регистронезависима: lda, LDA — одно и то же.
• Комментарии начинаются с ;. Всё после символа игнорируется.
• Пустые строки и строки-только-комментарии пропускаются.
• Операнд — десятичное число 0–15. Инструкции с адресом > 15 не скомпилируются.
• NOP и HLT не требуют операнда — он игнорируется.

Пример программы: компиляция и выполнение

; Простейшая программа — 4 инструкции
LDA 5
ADD 3
STA 0
HLT

После нажатия ▶ Выполнить программа компилируется и сразу запускается. В панели лога появятся строки компиляции:

[AsmPanel] === Compile & Run ===
[Asm]  ROM[0] = 0x55  (LDA 5)
[Asm]  ROM[1] = 0x13  (ADD 3)
[Asm]  ROM[2] = 0x60  (STA 0)
[Asm]  ROM[3] = 0xf0  (HLT)
[Asm] Compile done: 4 instruction(s)
[Asm] ROM[0..3]: 0x55 0x13 0x60 0xf0

Затем — строки выполнения (только нечётные тики — rising edge):

[AsmPanel] PC=0, play
[CPU] Tick 1   PC=0  →  LDA 5   [0x55]
[CPU] Tick 3   PC=1  →  ADD 3   [0x13]
[CPU] Tick 5   PC=2  →  STA 0   [0x60]
[CPU] Tick 7   PC=3  →  HLT     [0xf0]
[HLT] PC=4 (prev=3) instruction=0xf0 → HALT detected, stopping

Важно: инициализация RAM

LDA 5 загружает значение из RAM[5], а не константу 5. Поскольку вся RAM при старте заполнена нулями, аккумулятор после LDA 5 будет равен 0. ADD 3 добавит RAM[3] = 0. Результат всегда 0.

Для осмысленной работы с данными инициализируйте RAM через консоль браузера (F12 → Console) перед нажатием «Выполнить»:

const ram = graph.findNodesByType('tc/RAM')[0];
ram.memory[5] = 5;   // RAM[5] = 5
ram.memory[3] = 3;   // RAM[3] = 3

После инициализации и выполнения LDA 5; ADD 3; STA 10; HLT в RAM[10] будет записано 8.

Пример: работа с данными

; Загрузить значение из RAM[10], удвоить, сохранить в RAM[11]
LDA 10    ; Acc = RAM[10]
ADD 10    ; Acc = Acc + RAM[10] = RAM[10] * 2
STA 11    ; RAM[11] = Acc
HLT

Пример: условный переход (JZ)

; Тест JZ: если аккумулятор = 0 — переход на адрес 5
LDA 0     ; Acc = RAM[0] = 0
ADD 0     ; Acc = 0 + 0 = 0 (Zero flag = 1)
JZ  5     ; Jump to addr 5 (срабатывает)
STA 15    ; ← пропускается
HLT       ; ← пропускается
NOP       ; адрес 5 — точка перехода
HLT       ; останов здесь

Чтение памяти через консоль

// Проверить содержимое RAM после выполнения программы
const ram = graph.findNodesByType('tc/RAM')[0];
console.log('RAM[10]:', ram.memory[10]);
console.log('RAM[11]:', ram.memory[11]);

// Проверить содержимое ROM после компиляции
const rom = graph.findNodesByType('tc/ROM')[0];
const hex = Array.from(rom.memory.slice(0, 8))
  .map(b => '0x' + b.toString(16).padStart(2, '0')).join(' ');
console.log('ROM[0..7]:', hex);

Как выполняется инструкция (2 тика на команду)

Каждая инструкция занимает ровно два такта Clock. На первом (фронт 0→1) происходит выборка и выполнение, на втором (спад 1→0) — фиксация результата:

Тик N   (0→1): PC выдаёт адрес → ROM → Splitter → Decoder → ALU/RAM
                  Результат готов, но ещё не записан в регистры.

Тик N+1 (1→0): Регистры захватывают данные. PC не меняется.

Именно поэтому в логе инструкции отображаются только на нечётных тиках (1, 3, 5, …) — это rising edge, когда инструкция реально выполняется.

Что пишется в лог-панель

Лог очищается при каждом нажатии ▶ Выполнить перед компиляцией. История между запусками не сохраняется.

Пример: безусловный переход (JMP)

; Бесконечный цикл между адресами 2 и 3
LDA 0
STA 15
JMP 2     ; ← возврат на JMP (цикл)
HLT       ; никогда не выполнится

Программа зациклится — HLT не сработает. Нажмите ⏸ Pause на панели Clock Control для остановки. В логе убедитесь, что PC зацикливается на 2.

Пример: трассировка данных

При RAM[10] = 7 (установлено через консоль):

LDA 10    ; Acc = RAM[10]
ADD 10    ; Acc = Acc + RAM[10] = RAM[10] * 2
STA 11    ; RAM[11] = Acc
HLT

Горячие клавиши

Известные ограничения

• Нет непосредственных значений (immediate). LDA 5 означает «загрузить из RAM[5]», а не «загрузить константу 5».
• Операнд 0–15 — доступна только малая часть памяти. Формат инструкции отводит под операнд 4 бита (адреса 0–15). Это значит:
• RAM: LDA/STA/ADD/SUB/AND/OR работают только с ячейками 0–15. Ячейки 16–255 (240 байт) недоступны через инструкции — только через консоль браузера. Для учебных программ 16 ячеек достаточно.
• ROM (JMP/JZ): переходы возможны только на адреса 0–15. Линейное выполнение (PC +1) работает по всей ROM (0–255), но для циклов и ветвлений доступны только первые 16 ячеек.
• Нет меток (labels). JMP/JZ принимают абсолютный адрес ROM. При добавлении/удалении инструкций адреса сдвигаются — правьте переходы вручную.
• Проверка F9 — структурная. Клавиша F9 на уровне 16 проверяет только наличие компонентов (PC, ROM, RAM, ALU8, Clock) и 5 шагов без краша. Функциональную корректность ассемблерных программ проверяйте сами — шаг за шагом, через отладчик (кнопки «Шаг» и «Сброс», брейкпоинты в редакторе кода).
• Брейкпоинты и правки RAM не сохраняются между сессиями — это сессионные инструменты отладки.