Nand2Tetris 第 7-8 週 -- 中間碼轉組合語言

本文程式修改自下列 github 網址，使用時請注意遵守開源授權。

• https://github.com/havivha/Nand2Tetris/tree/master/7
• https://github.com/havivha/Nand2Tetris/tree/master/8

關於 nand2tetris 第 7-8 週的內容與解說，請參考下列文章。

• 少年科技人雜誌 / 2015年8月號 / Nand2Tetris 第 7 週 -- VM I: Stack Arithmetic
• 少年科技人雜誌 / 2015年8月號 / Nand2Tetris 第 8 週 -- VM II: Program Control

在本文中，我們主要補充的是實作的方法。我們採用 JavaScript 撰寫，並用 node.js 環境進行測試。

以下是筆者 Nand2Tetris 第 7-8 週習題實作中，程式的主要架構部分。

function vm2asm(vmFile) {
  ...
  pass1(lines);
} 

function pass1(lines, asmFile) {
  c.log("============== pass1 ================");
  for (var i=0; i<lines.length; i++) {
    var p = parse(lines[i], i);
    if (p===null) continue;
    comment(lines[i]);
    translate(p);
  }
}

function parse(line, i) {
  ...
}

function translate(p) {
  var p1 = p.tokens[1];
  var p2 = p.tokens[2];
  switch (p.op) {
    case "push": cmdPush(p1, parseInt(p2)); break;
    case "pop":  cmdPop(p1, parseInt(p2)); break;
    case "add":  cmdBinary("D+A"); break;
    case "sub":  cmdBinary("A-D"); break;
    case "and":  cmdBinary("D&A"); break;
    case "or" :  cmdBinary("D|A"); break;
    case "not":  cmdUnary("!D"); break;
    case "neg":  cmdUnary("-D"); break;
    case "eq" :  cmdCompare("JEQ"); break;
    case "gt" :  cmdCompare("JGT"); break;
    case "lt" :  cmdCompare("JLT"); break;
    case "goto": cmdGoto(p1); break;
    case "if-goto": cmdIfGoto(p1); break;
    case "label": cmdLabel(p1); break;
    case "function": cmdFunction(p1, parseInt(p2)); break;
    case "call"  : cmdCall(p1, parseInt(p2)); break;
    case "return": cmdReturn(); break;
    default: error();
  }
}

接著就是每個指令轉換的實作部份，為了避免公佈解答，我們僅顯示部份程式碼，以便讓讀者知道整體架構。

function cmdGoto(label) {
  A(label);
  C("0;JMP");
}

function cmdIfGoto(label) {
  popToDest('D');
  A(label);
  C('D;JNE');
}

function cmdUnary(comp) {
  decSp();               // --SP
  stackToDest('D');      // D=*SP
  C('D='+comp);          // D=COMP
  compToStack('D');      // *SP=D
  incSp();               // ++SP
}

function cmdCompare(j) {
  decSp();               // --SP
  stackToDest('D');      // D=*SP
  decSp();               // --SP
  stackToDest('A');      // A=*SP
  C('D=A-D');            // D=A-D
  var label_eq = jump('D', j);  // D;jump to label_eq
  compToStack('0');      // *SP=0
  var label_ne = jump('0', 'JMP'); // 0;JMP to label_ne
  cmdLabel(label_eq);    // (label_eq)
  compToStack('-1');     // *SP=-1
  cmdLabel(label_ne);       // (label_ne)
  incSp();               // ++SP
}

function cmdBinary(comp) {
  decSp();           // --SP
  stackToDest('D');  // D=*SP
  decSp();           // --SP
  stackToDest('A');  // A=*SP
  C('D='+comp);      // D=comp
  compToStack('D');  // *SP=D
  incSp();
}

function cmdLabel(name) {
  asm("("+name+")");
}

function cmdFunction(name, n) {
  cmdLabel(name);
  for (var i=0; i<n; i++) {
    cmdPush("constant", 0);
  }
}

function cmdCall(name, n) {
  var returnAddress = newLabel();
  cmdPush("constant", returnAddress); // push return_address
  cmdPush("reg", R_LCL);              // push LCL
  cmdPush("reg", R_ARG);              // push ARG
  cmdPush("reg", R_THIS);             // push THIS
  cmdPush("reg", R_THAT);             // push THAT
  loadSeg("R"+R_SP, -n-5, true);
  compToReg(R_ARG, 'D');              // ARG=SP-n-5
  regToReg(R_LCL, R_SP);              // LCL=SP
  A(name);                            // A=function_name
  C('0;JMP');                         // 0;JMP
  cmdLabel(returnAddress);            // (return_address)
}

function regToReg(dest, src) {
  regToDest('D', src);
  compToReg(dest, 'D');        // Rdest = Rsrc
}

function prevFrameToReg(reg) {
  regToDest('D', R_FRAME);     // D=FRAME
  C('D=D-1');                  // D=FRAME-1
  compToReg(R_FRAME, 'D');     // FRAME=FRAME-1
  C('A=D');                    // A=FRAME-1
  C('D=M');                    // D=*(FRAME-1)
  compToReg(reg, 'D');         // reg=D
}

function cmdReturn() {
  regToReg(R_FRAME, R_LCL);   // R_FRAME = R_LCL
  A("5");                     // A=5 ??
  C("A=D-A");                 // A=FRAME-5
  C("D=M");                   // D=M
  compToReg(R_RET, 'D');      // RET=*(FRAME-5)
  cmdPop("argument", 0);      // *ARG=return value
  regToDest('D', R_ARG);      // D=ARG
  compToReg(R_SP, 'D+1');     // SP=ARG+1
  prevFrameToReg(R_THAT);     // THAT=*(FRAME-1)
  prevFrameToReg(R_THIS);     // THIS=*(FRAME-2)
  prevFrameToReg(R_ARG);      // ARG=*(FRAME-3)
  prevFrameToReg(R_LCL);      // LCL=*(FRAME-4)
  regToDest('A', R_RET);      // A=RET
  C("0;JMP");                 // goto RET
}

function jump(comp, j) {
  var label = newLabel();
  A(label);
  C(""+comp+";"+j);
  return label;
}

function init() {
  comment("init");
  A('256');
  C('D=A');
  compToReg(R_SP, 'D');    // SP=256
  cmdCall('Sys.init', 0);  // call Sys.init()
}

當您了解了上述的主架構之後，應該就能開始自己重新打造完整的程式了。