ＴＴＬでＣＰＵを作ろう！

~~標準ＴＴＬ~~だけ（！）でCPUをつくろう！（組立てキットです！）
(ホントは７４ＨＣ、ＣＭＯＳなんだけど…）
［第５３５回］

●デバッグ作業の続き、のつもりだったのですが…

前回、「おばかなことをやっておりました」と書きました。
突然ブレイクもしない、ハングアップもしないで終了してしまう、という肩透かしの状態になってしまったものですから、ついうろたえてしまいました。
なんだかテストプログラムが蒸発してしまったような、異な感じになりまして…。
ｄｍコマンドでメモリの中身を確認してみたら、ちゃんとあるじゃないのお。
なのに、なぜか全く実行してくれないで、でもハングアップもブレイクもしないで、しれっとして終了してしまうって、どういうこと？

ｌｉｓｔコマンドを入力してみたけれど、何も表示されません。

う。リストが表示されない？
……！

わかりましたあ。
そりゃあ、当たり前でした。

前回、ハングアップしてしまったときに、一旦強制終了して、それからあらためてＺ８０ＢＡＳＩＣシステムを起動したのでありました。
その直後にブレイクポイントを設定して、ｒｕｎしたのですから、何も実行しないのが当たり前でした。

Ｚ８０ＢＡＳＩＣの起動直後は、ユーザープログラムは見かけ上はクリアされているのでありました。
自分でそのように設計しておいて、自分で忘れてしまうのですからたまりません（トホ…）。
いやあ。じつに、なんともおはずかしい。

ｈｅｌｐコマンドを実行してから、ｌｉｓｔコマンドを実行しました。
今度はちゃんとテストプログラムが表示されました。

あらためて、２３９７にブレイクポイントを設定してｒｕｎしました。
おお。
今度はちゃんとアドレス２３９７でブレイクしました。
ＰＲＩＮＴルーチンの入り口には来ているようです。

これから先はちょいとしたテクニックなのですが、命令を１つずつ順にブレイクさせながら実行していくのでは手間がかかってたまりません。
ＪＰ命令などのプログラムが分岐するポイントごとにブレイクさせるようにすると、効率よいデバッグが行えます。

２３９７でＰＲＩＮＴルーチンにエントリした後の最初の分岐は２３Ａ１のＪＰ　ＮＺ命令です。

そこで、２３ａ１にブレイクポイントを設定するのですが、画面を見ますと、その前に
ｄｍ　８０６０，８０７ｆ
を実行しています。
実はメモリのこのあたりに、これから実行するＰＲＩＮＴ命令があるので、そこを確認しているのです。

●ＢＡＳＩＣプログラムの構造について

ＢＡＳＩＣのプログラム（ユーザープログラム）は、ｌｉｓｔ文で表示されるままの形でメモリに入れられるのではなくて、処理効率がよくなるように中間コードに変換してからメモリに入れられます。
ただＰＲＩＮＴ文の”　”で囲んだテキストのように、そのままの文字列を表示するような命令では、その文字列部分はそのままの形でメモリに入れられます。

ｄｍコマンドで表示された内容を、右のＡＳＣＩＩダンプ部分で確認してみますと、行番号４０のＰＲＩＮＴ文にある、”ａ％＝”や”ｂ％＝”がそのままあることがわかります。
しかし、その前のあたりを見ても、どこにもＰＲＩＮＴの文字はありません。
実はＰＲＩＮＴという命令は、プログラムを入力した時点で、８１というコードに変換される仕組みになっているのです。
上の画面のメモリダンプリストを見ますと、アドレス８０６Ｂに８１があります。

ことのついでですから、Ｚ８０ＢＡＳＩＣのデータ（ユーザプログラム）の構造について簡単に説明をいたしましょう。
ちょうど、今ターゲットにしております、ＰＲＩＮＴ文について説明をすることにいたします。
今回のテストプログラムのプログラムリストと、メモリダンプリストは、前回の作業画面に見えますけれど、そのところだけ、ログファイルから切り取って、下に示します。

>help
TEXT 8004-80D5
ﾍﾝｽｳ DFEF-DFFF
>list
    10 A%=123
    20 B%=456
    30 C%=A%+B%
    40 PRINT "a%=";A%,"b%=";B%,"c%=";C%
    50 FOR A%=0 TO 10
    60 PRINT A%,
    70 NEXT A%
    80 FOR A=0 TO 10
    90 PRINT SQR(A)
   100 NEXT A

>dm 8000,80d5
8000  41 55 54 4F 00 80 FF DF 10 80 0C 00 B3 53 44 94  AUTO...ﾟ....ｳSD.
8010  40 F4 41 25 00 00 00 85 0A 00 02 00 42 F4 42 25  @.A%........B.B%
8020  00 00 00 85 14 00 02 00 44 F4 43 25 00 00 00 85  ........D.C%....
8030  1E 00 02 00 F0 DF 41 00 00 00 00 85 50 00 04 00  .....ﾟA.....P...
8040  0A 00 08 F2 0C 00 9A FA 7B 00 0D 0B 14 00 08 F2  ........{.......
8050  18 00 9A FA C8 01 0D 0B 1E 00 0C F2 24 00 9A F2  ....ﾈ.......$...
8060  0C 00 2B F2 18 00 0D 0F 28 00 1F 81 22 61 25 3D  ..+.....(..."a%=
8070  22 3B F2 0C 00 2C 22 62 25 3D 22 3B F2 18 00 2C  ";...,"b%=";...,
8080  22 63 25 3D 22 3B F2 24 00 0D 22 32 00 0D 84 F2  "c%=";.$.."2....
8090  0C 00 9A FA 00 00 98 FA 0A 00 0D 10 3C 00 06 81  ............<...
80A0  F2 0C 00 2C 0D 09 46 00 05 85 F2 0C 00 0D 08 50  ...,..F........P
80B0  00 0D 84 F0 30 00 9A FA 00 00 98 FA 0A 00 0D 10  ....0...........
80C0  5A 00 08 81 DE 28 F0 30 00 29 0D 0B 64 00 05 85  Z...ﾞ(.0.)..d...
80D0  F0 30 00 0D 08 08 21 37 31 22 FC F0 00 31 00 F8  .0....!71"...1..

ｈｅｌｐコマンドを実行すると、リセットによって見かけ上クリアされていたユーザープログラムが復活するとともに、ユーザープログラムが格納されているメモリ範囲が表示されます。
プログラムエリアを確認するために、ｈｅｌｐコマンドを繰り返し実行することができます。

８００４－８０Ｄ５と表示されています。
この範囲に、ＬＩＳＴコマンドで表示されるプログラムが中間コードに変換されて納められています。

ＬＩＳＴコマンドは、この中間コードから、もとのソースプログラムリストを逆生成して表示させているのです。
Ｚ８０ＢＡＳＩＣはインタプリタです。コンパイラではありません。
たとえばＣコンパイラのように、ソースプログラムからマシン語コードに変換する形式では、コンパイラによって生成されたマシン語プログラムから、もとのソースプログラムを逆生成することは、なにかの仕掛けが埋め込まれていない限り不可能です。

インタプリタは逐次翻訳型と言われるように、実行の都度翻訳しながら進みます。
その分実行速度は遅くなりますが、コンパイル作業が不要で、プログラムの作成作業中にいつでも実行させることができ、また個々のＢＡＳＩＣの命令をコマンドの形でダイレクトに実行することもできます。

ソースプログラムをそのままメモリに保存しておいて、実行時に文字比較を行って命令を検出するようにすれば、システムプログラムの構造は簡単になりますし、ＬＩＳＴコマンドもシンプルになります。
しかし、実行のたびに、たとえば’Ｐ’’Ｒ’’Ｉ’’Ｎ’’Ｔ’という文字データを順番に比較していって、ＰＲＩＮＴ命令に行きつく、という作業を繰り返しおこなうのは余りに無駄ですし、実行時間のほとんどが毎回の翻訳作業のために使われてしまって極めて非能率です。

そこで一般的なＢＡＳＩＣインタプリタは、最初のプログラムの入力時に、可能な限り中間コード形式に翻訳してしまって、実行時の負担を少なくするようにしています。
あ。
ここで説明をしております、Ｚ８０ＢＡＳＩＣの構造は、私が独自に工夫したものですから、たとえばＮＥＣのＮ８８ＢＡＳＩＣなどとは、ＢＡＳＩＣの構造や中間コードレベルでの互換性は全くありません。

さてそこで、行番号４０のＰＲＩＮＴ文です。
ダンプリストの右のＡＳＣＩＩダンプ部分を見ていただきますと、そこに
”ａ％＝”；
，”ｂ％＝”；
，”ｃ％＝”；
がみつかります。
この部分はプログラムリストのそのままの形になっています。

メモリダンプの右の部分には何の意味があるのだろう、と疑問だったかもしれませんが、こういう目的には実にピッタリなのです。

ダンプリストの”ａ％＝が表示されている行を左に見ていきますと、その各文字の１６進数コード２２　６１　２５　３Ｄがあります。
その左（アドレス８０６Ｂ）にある８１がＰＲＩＮＴ命令のコードです。
そのさらに左の３バイトを見ますと、
２８　００　１Ｆになっています。
ここが行の先頭です。
行番号４０の行の先頭アドレスは、８０６８です。

最初の２バイトは、行番号を下位、上位の順に並べたものです。
行番号４０は１６進数に直すと００２８です。
行番号は２バイト１６ビットですから、行番号としては０００１～７ＦＦＦ、つまり１～３２７６７が許されることになります。

その次の１Ｆは、この行のここから後ろのバイト数です。
Ｚ８０ＢＡＳＩＣインタプリタは、１行を画面表示の２行以上の長さにすることはできません。
１行の長さの最大値は８０字ですから、１６進数の５０が最大値です。
実際にはソース文は通常は中間コードに翻訳される過程で圧縮されて短くなりますから、行の長さ情報の最大値は５０よりもさらに小さくなります。
いずれにしても、ここは１バイトで足ります。
なぜ、ここに行の長さの情報を置いているか、といいますと、それは行の挿入や削除の作業を効率良くおこなえるようにするためです。

ＢＡＳＩＣなどの言語プログラムを自作してみよう、と思ってみえる方も多いと思いますが、実際にはなかなか大変な作業が必要なのです。
ＢＡＳＩＣの個々の命令の実行部分を作ることもさることながら、さきほど説明をしました、ソースコード←→中間コードの翻訳プログラムを作ることもなかなかにしんどい作業になりますし、ソースプログラムの一部を書き換えたり（当然１行の長さが変わります）、行を挿入したり、削除したりすることにも対応しなければなりません。
一朝一夕にはできない、という言葉がありますが、まさにその言葉通りで、このＺ８０ＢＡＳＩＣも長い時間を費やして作り上げてきたものです。
ええ。私ひとりだけで。
なにしろ一匹狼が身上で、協調性ゼロなものですから。

つい余談になりました。
さきほどの行の長さ情報の１Ｆを、そのアドレス（８０６Ａ）に加算します。
８０６Ａ＋１Ｆ＝８０８９です。
メモリダンプリストの８０８９を見ますと、０Ｄになっています。
ここが行の終わりです。
行の終わりには複改（ＣＲ）コード０Ｄを置きます。

実は本当の行の終わりはそのもう１バイト次にあります。
アドレス８０８Ａです。
２２になっています。
これも行の長さ情報です。
行の終わりの位置からみて、行の先頭のアドレスを算出するための情報です。
２２をそのアドレス（８０８Ａ）から減算します。
８０８Ａ－２２＝８０６８です。
さきほどの行番号４０の行の先頭アドレスに一致しました。
このデータも、行の挿入、削除のための情報に使われます。

さてでは次に、さきほどのＰＲＩＮＴ文の文字定数部分、
”ａ％＝”；
，”ｂ％＝”；
，”ｃ％＝”；
のそれぞれの後ろに注目してみます。

説明が長くなりましたから、その部分だけもう一度切り取って下に示します。

8060  0C 00 2B F2 18 00 0D 0F 28 00 1F 81 22 61 25 3D  ..+.....(..."a%=
8070  22 3B F2 0C 00 2C 22 62 25 3D 22 3B F2 18 00 2C  ";...,"b%=";...,
8080  22 63 25 3D 22 3B F2 24 00 0D 22 32 00 0D 84 F2  "c%=";.$.."2....

それぞれの後ろには、
Ｆ２　０Ｃ　００
Ｆ２　１８　００
Ｆ２　２４　００
が置かれています。
これが変数の中間コードなのです。
最初のＦ２は、この変数が整数型であることを示しています。
その次の２バイトは、変数の情報を格納しているアドレスを示しています。
０００Ｃ、００１８、００２４です。
プログラムの先頭アドレス８００４にそれぞれを加算してみます。
８００４＋０００Ｃ＝８０１０
８００４＋００１８＝８０１Ｃ
８００４＋００２４＝８０２８
になります。

あ。この部分ももう一度切り取って下に示すことに致しましょう。

8000  41 55 54 4F 00 80 FF DF 10 80 0C 00 B3 53 44 94  AUTO...ﾟ....ｳSD.
8010  40 F4 41 25 00 00 00 85 0A 00 02 00 42 F4 42 25  @.A%........B.B%
8020  00 00 00 85 14 00 02 00 44 F4 43 25 00 00 00 85  ........D.C%....
8030  1E 00 02 00 F0 DF 41 00 00 00 00 85 50 00 04 00  .....ﾟA.....P...

８０１０には
４０　Ｆ４　４１　２５　…
というデータがあります。
最初の２バイトは、この変数の値が置かれているアドレスを示しています。
Ｆ４４０です。
前回、前々回で、変数Ａ％は固定アドレスＦ４４０に置かれています、というように説明しました。そのアドレス情報がここに置かれています。
その次からの５バイトは変数名のエリアです。
Ｚ８０ＢＡＳＩＣでは変数名は５文字までしか扱えません。
ちょっと窮屈ですが、限られたメモリサイズの中で、できるだけたくさんの変数を扱えるようにしたい、と考えたためです。
ここには、４１　２５が置かれています。
変数名Ａ％の文字コードです。

このエリアには、そのほかの情報が置かれています。
名前情報の１バイト置いて次には
０Ａ　００　０２
があります。
最初の２バイトは、この変数が最初に書かれた行番号を示しています。
０００Ａですから行番号１０です。
次の０２は、この変数のデータがもっている長さの情報です。
Ａ％は整数型の変数ですから、そのデータ長は１６ビット、つまり２バイトです。
Ｂ％、Ｃ％についても同じルールで置かれていることがおわかりいただけると思います。

今回はＰＲＩＮＴ命令のデバッグ作業について説明するつもりだったのですが、ＢＡＳＩＣプログラムの構造についての説明がずいぶん長くなってしまいましたので、デバッグ作業につきましては、次回、ということにさせていただきます。
２０１０．６．２７ｕｐｌｏａｄ

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