Как написать свой Ассемблер на Python

Приветствую, дорогие читатели! Если вы когда-либо задумывались о том, как работают компьютеры на самом низком уровне, или хотели узнать, как на самом деле выполняются команды процессора, то эта статья для вас. Сегодня мы разберёмся, как написать свой ассемблер на Python. Ассемблер — это программа, которая переводит ассемблерный код в машинный код, понятный процессору.

Шаг 1: Понимание архитектуры и ассемблерного языка

Первым шагом является выбор архитектуры процессора, для которой вы будете писать ассемблер. В нашем примере мы возьмём популярную и относительно простую архитектуру — RISC-V.

Что такое RISC-V?

RISC-V — это открытая архитектура процессоров, основанная на принципах RISC (Reduced Instruction Set Computing). Она проста для изучения и идеально подходит для наших целей.

Основы ассемблерного языка

Ассемблерный язык — это низкоуровневый язык программирования, близкий к машинному коду. Каждая инструкция ассемблерного языка соответствует одной или нескольким машинным инструкциям. Например, вот так может выглядеть простой ассемблерный код:

ADD x1, x2, x3  ; складывает значения регистров x2 и x3 и сохраняет результат в x1
SUB x4, x5, x6  ; вычитает значение регистра x6 из x5 и сохраняет результат в x4

Шаг 2: Парсинг ассемблерного кода

Теперь, когда мы выбрали архитектуру и познакомились с основами ассемблерного языка, следующий шаг — это парсинг (разбор) ассемблерного кода. Для этого мы будем использовать Python.

Лексический анализ

Лексический анализатор разбивает исходный код на токены — минимальные значимые элементы. Рассмотрим простой пример лексического анализатора на Python:

import re

def lex(code):
    tokens = []
    for line in code.split('\n'):
        line = line.split(';')[0]  # Убираем комментарии
        tokens.extend(re.findall(r'\S+', line))
    return tokens

code = """
ADD x1, x2, x3
SUB x4, x5, x6
"""
print(lex(code))  # ['ADD', 'x1,', 'x2,', 'x3', 'SUB', 'x4,', 'x5,', 'x6']

Этот простой лексер разделяет код на токены, убирая комментарии.

Синтаксический анализ

После лексического анализа следует синтаксический анализ, который проверяет правильность структуры кода. Нам нужно распознать инструкции и их операнды:

def parse(tokens):
    instructions = []
    while tokens:
        instr = tokens.pop(0)
        if instr in ['ADD', 'SUB']:
            reg1 = tokens.pop(0).strip(',')
            reg2 = tokens.pop(0).strip(',')
            reg3 = tokens.pop(0).strip(',')
            instructions.append((instr, reg1, reg2, reg3))
    return instructions

tokens = ['ADD', 'x1,', 'x2,', 'x3', 'SUB', 'x4,', 'x5,', 'x6']
print(parse(tokens))  # [('ADD', 'x1', 'x2', 'x3'), ('SUB', 'x4', 'x5', 'x6')]

Шаг 3: Генерация машинного кода

После разбора инструкций нам нужно перевести их в машинный код. Для этого мы будем использовать таблицы опкодов и регистров.

Опкоды и регистры

Для RISC-V каждая инструкция имеет свой опкод — уникальный идентификатор. Например:

• ADD — 0b0110011
• SUB — 0b0110011

Регистр также имеет своё представление. Например:

• x1 — 0b00001
• x2 — 0b00010

Пример генерации машинного кода

Давайте напишем функцию, которая переводит ассемблерные инструкции в машинный код:

def to_machine_code(instructions):
    opcode_map = {'ADD': 0b0110011, 'SUB': 0b0110011}
    funct3_map = {'ADD': 0b000, 'SUB': 0b000}
    funct7_map = {'ADD': 0b0000000, 'SUB': 0b0100000}

    def reg_to_bin(reg):
        return int(reg[1:])  # Преобразуем 'x1' в 1

    machine_code = []
    for instr, reg1, reg2, reg3 in instructions:
        opcode = opcode_map[instr]
        funct3 = funct3_map[instr]
        funct7 = funct7_map[instr]
        rd = reg_to_bin(reg1)
        rs1 = reg_to_bin(reg2)
        rs2 = reg_to_bin(reg3)
        binary_instr = (funct7 << 25) | (rs2 << 20) | (rs1 << 15) | (funct3 << 12) | (rd << 7) | opcode
        machine_code.append(f"{binary_instr:032b}")
    return machine_code

instructions = [('ADD', 'x1', 'x2', 'x3'), ('SUB', 'x4', 'x5', 'x6')]
print(to_machine_code(instructions))  # ['00000000001000010000000110110011', '01000000011000101000001010110011']

Эта функция преобразует каждую инструкцию в 32-битное машинное представление.

Шаг 4: Тестирование и отладка

Создание ассемблера — это только полдела. Теперь нужно протестировать и отладить его. Напишите несколько тестовых программ на ассемблере и убедитесь, что ваш ассемблер правильно их обрабатывает и генерирует корректный машинный код.

Пример тестовой программы

ADD x1, x2, x3
SUB x4, x5, x6

Сравните выходной машинный код с ожиданиями:

expected = ['00000000001000010000000110110011', '01000000011000101000001010110011']
machine_code = to_machine_code(parse(lex(code)))
assert machine_code == expected, f"Error: {machine_code} != {expected}"

Шаг 5: Улучшения и оптимизации

Теперь, когда у вас есть базовый рабочий ассемблер, вы можете добавлять улучшения и оптимизации:

• Поддержка дополнительных инструкций: Расширьте набор поддерживаемых инструкций.
• Поддержка меток и ветвлений: Реализуйте метки и условные/безусловные переходы.
• Оптимизация производительности: Улучшите скорость работы вашего ассемблера.

Поддержка меток и ветвлений

Добавление меток и ветвлений — следующий логический шаг. Вот пример, как это можно реализовать:

def parse_with_labels(tokens):
    instructions = []
    labels = {}
    address = 0
    while tokens:
        token = tokens.pop(0)
        if token.endswith(':'):
            labels[token[:-1]] = address
        else:
            instr = token
            reg1 = tokens.pop(0).strip(',')
            reg2 = tokens.pop(0).strip(',')
            reg3 = tokens.pop(0).strip(',')
            instructions.append((instr, reg1, reg2, reg3))
            address += 1
    return instructions, labels

tokens = ['start:', 'ADD', 'x1,', 'x2,', 'x3', 'SUB', 'x4,', 'x5,', 'x6']
instructions, labels = parse_with_labels(tokens)
print(instructions)  # [('ADD', 'x1', 'x2', 'x3'), ('SUB', 'x4', 'x5', 'x6')]
print(labels)  # {'start': 0}

Теперь у нас есть поддержка меток, и мы можем использовать их для реализации переходов.

Создание собственного ассемблера — это увлекательный и полезный опыт. Мы рассмотрели основные шаги: от выбора архитектуры и парсинга кода до генерации машинного кода и тестирования. Вы также узнали, как добавлять новые возможности и оптимизировать ваш ассемблер. Надеюсь, этот материал вдохновил вас на дальнейшее изучение и эксперименты в области низкоуровневого программирования.

---

---