उदाहरण के रूप में स्टैक-आधारित सीपीयू का उपयोग करते हुए विकास मॉडल

क्या आपने कभी सवाल किया है "प्रोसेसर कैसे काम करता है?"। हां, हां, बिल्कुल वही जो आपके पीसी / लैपटॉप / स्मार्टफोन में होता है। इस लेख में मैं वेरिलॉग में एक डिज़ाइन के साथ स्व-आविष्कार किए गए प्रोसेसर का एक उदाहरण देना चाहता हूं। वेरिलॉग बिल्कुल प्रोग्रामिंग लैंग्वेज नहीं है जो वह दिखती है। यह हार्डवेयर विवरण भाषा है। लिखित कोड किसी भी चीज द्वारा निष्पादित नहीं किया जाता है (जब तक कि आप इसे सिम्युलेटर में नहीं चलाते हैं, निश्चित रूप से), लेकिन भौतिक सर्किट के डिजाइन में बदल जाता है, या एफपीजीए (फील्ड प्रोग्रामेबल गेट एरे) द्वारा माना जाता है।

अस्वीकरण: यह लेख विश्वविद्यालय में एक परियोजना पर काम का परिणाम है, इसलिए काम का समय सीमित था और परियोजना के कई हिस्से अभी भी केवल विकास के प्रारंभिक चरण में हैं।

कृपया ध्यान दें कि इस लेख में बनाया गया प्रोसेसर आधुनिक व्यापक प्रोसेसर के साथ बहुत कम है, लेकिन मैंने इसके निर्माण के साथ थोड़ा अलग लक्ष्य हासिल करने की कोशिश की।

प्रोग्रामिंग प्रक्रिया को वास्तव में समझने के लिए, आपको यह कल्पना करने की आवश्यकता है कि उपयोग किए गए प्रत्येक उपकरण कैसे काम करते हैं: भाषा का एक कंपाइलर / इंटरप्रेटर, एक वर्चुअल मशीन, यदि कोई हो, मध्यवर्ती कोड और, ज़ाहिर है, प्रोसेसर ही। बहुत बार जो लोग प्रोग्रामिंग का अध्ययन करते हैं वे लंबे समय तक पहले चरण में होते हैं - वे केवल इस बारे में सोचते हैं कि भाषा और इसके संकलक कैसे काम करते हैं। यह अक्सर उन त्रुटियों की ओर जाता है जिनके समाधान नौसिखिया प्रोग्रामर के लिए अज्ञात हैं, क्योंकि उन्हें पता नहीं है कि इन समस्याओं की जड़ें कहां से आ रही हैं। मैंने स्वयं कई जीवंत उदाहरण देखे, जहाँ स्थिति लगभग वर्णन के अनुसार ही थी, इसलिए मैंने इस स्थिति को ठीक करने का प्रयास करने और चीजों का एक सेट बनाने का निर्णय लिया, जो शुरुआती लोगों को सभी चरणों को समझने में मदद करेगा।

इस किट में निम्न शामिल हैं:

• वास्तव में भाषा का आविष्कार किया
• VS कोड के लिए हाइलाइट प्लगइन
• इसका संकलन करनेवाला
• निर्देश सेट
• निर्देशों का यह सेट निष्पादित करने में सक्षम एक साधारण प्रोसेसर (वेरिलोग में लिखा गया है)

मैं आपको एक बार फिर याद दिलाता हूं कि यह लेख एक आधुनिक प्रक्रिया के तहत किसी भी चीज को अस्वीकार नहीं करता है, यह एक मॉडल का वर्णन करता है जो विवरणों में जाने के बिना समझना आसान है।

यदि आप इसे स्वयं करना चाहते हैं तो आपको जिन चीजों की आवश्यकता होगी:

सीपीयू सिमुलेशन चलाने के लिए, आपको मॉडलसिम की आवश्यकता होती है, जिसे आप इंटेल वेबसाइट से डाउनलोड कर सकते हैं।

OurLang संकलक को चलाने के लिए, आपको जावा संस्करण> = 8 की आवश्यकता है।

परियोजनाओं के लिए लिंक:
https://github.com/IamMaxim/OurCPU
https://github.com/IamMaxim/OurLang

एक्सटेंशन:
https://github.com/IamMaxim/ourlang-vscode

वेरिलॉग भाग के निर्माण के लिए, मैं आमतौर पर एक बैश स्क्रिप्ट का उपयोग करता हूं:

#/bin/bash vlib work vlog *.v vsim -c testbench_1 -do "run; exit" 

लेकिन यह जीयूआई के माध्यम से दोहराया जा सकता है।

संकलक के साथ काम करने के लिए Intellij IDEA का उपयोग करना सुविधाजनक है। मुख्य बात यह है कि निर्भरता में आपके पास कौन से मॉड्यूल की आवश्यकता है, इसका ट्रैक रखना। मैंने रेडी-मेड .jar को ओपन एक्सेस के लिए पोस्ट नहीं किया, क्योंकि मुझे उम्मीद है कि पाठक कंपाइलर के सोर्स कोड को पढ़ेंगे।

लॉन्च किए गए मॉड्यूल कंपाइलर और इंटरप्रेटर हैं। संकलक के साथ सब कुछ स्पष्ट है, इंटरप्रेटर जावा में ओसीसीपीयू का सिर्फ एक सिम्युलेटर है, लेकिन हम इस लेख में इस पर विचार नहीं करेंगे।

निर्देश सेट

मुझे लगता है कि इंस्ट्रक्शन सेट से शुरुआत करना बेहतर है।

कई निर्देश सेट आर्किटेक्चर हैं:

• स्टैक-आधारित वह है जो लेख में वर्णित है। एक विशिष्ट विशेषता यह है कि सभी ऑपरेंड को स्टैक पर धकेल दिया जाता है और स्टैक से पॉप किया जाता है, जो तुरंत निष्पादन को समानांतर करने की संभावना को बाहर कर देता है, लेकिन यह डेटा के साथ काम करने के लिए सबसे सरल तरीकों में से एक है।
• संचायक-आधारित - निचला रेखा यह है कि केवल एक रजिस्टर है जो एक मूल्य संग्रहीत करता है जिसे निर्देशों द्वारा संशोधित किया गया है।
• रजिस्टर-आधारित वह है जो आधुनिक प्रोसेसर में उपयोग किया जाता है, क्योंकि यह आपको विभिन्न अनुकूलन के उपयोग के माध्यम से अधिकतम प्रदर्शन प्राप्त करने की अनुमति देता है, जिसमें निष्पादन, पाइपलाइनिंग, आदि के समानांतरण शामिल है।

हमारे प्रोसेसर निर्देश सेट में 30 निर्देश हैं

अगला, मैं प्रोसेसर कार्यान्वयन पर एक नज़र लेने का प्रस्ताव करता हूं:

कोड में कई मॉड्यूल होते हैं:

• सीपीयू
• रैम
• प्रत्येक निर्देश के लिए मॉड्यूल

RAM एक मॉड्यूल है जिसमें सीधे मेमोरी ही होती है, साथ ही इसमें डेटा एक्सेस करने का एक तरीका है।

सीपीयू - एक मॉड्यूल जो सीधे कार्यक्रम की प्रगति को नियंत्रित करता है: निर्देश पढ़ता है, वांछित निर्देश पर नियंत्रण स्थानांतरित करता है, आवश्यक रजिस्टरों (वर्तमान अनुदेश आदि के लिए सूचक) को संग्रहीत करता है।

लगभग सभी निर्देश केवल स्टैक के साथ काम करते हैं, इसलिए बस उनका पालन करें। कुछ (जैसे putw, putb, jmp और jif) का निर्देश में एक अतिरिक्त तर्क है। उन्हें पूरे निर्देश को पारित करने की आवश्यकता है ताकि वे आवश्यक डेटा पढ़ सकें।

यहाँ एक सामान्य रूपरेखा है कि प्रोसेसर कैसे काम करता है:

अनुदेश स्तर पर डिवाइस डिजाइन के सामान्य सिद्धांत

मुझे लगता है कि यह सीधे कार्यक्रमों के साथ डिवाइस से परिचित होने का समय है। जैसा कि आप ऊपर दिए गए आरेख से देख सकते हैं, प्रत्येक निर्देश के बाद, पता अगले पर जाता है। यह कार्यक्रम को एक रैखिक पाठ्यक्रम देता है। जब इस रैखिकता (स्थिति, लूप, आदि) को तोड़ने के लिए आवश्यक हो जाता है, तो शाखा निर्देशों का उपयोग किया जाता है (हमारे निर्देश में ये jmp और jif हैं)।

फ़ंक्शन को कॉल करते समय, हमें हर चीज की वर्तमान स्थिति को बचाने की आवश्यकता है, और इसके लिए सक्रियण रिकॉर्ड हैं - रिकॉर्ड जो इस जानकारी को संग्रहीत करते हैं। वे प्रोसेसर या निर्देशों से किसी भी तरह से बंधे नहीं हैं, यह सिर्फ एक अवधारणा है जिसे कंपाइलर कोड बनाते समय उपयोग करता है। OurLang में सक्रियण रिकॉर्ड में निम्नलिखित संरचना है:

जैसा कि इस आरेख से देखा जा सकता है, स्थानीय चर भी सक्रियण रिकॉर्ड में संग्रहीत किए जाते हैं, जो आपको संकलित समय के बजाय, संकलित समय में मेमोरी में चर के पते की गणना करने की अनुमति देता है, और इस प्रकार प्रोग्राम निष्पादन को गति देता है।

फ़ंक्शन कॉल के लिए, हमारा निर्देश सेट सीपीयू मॉड्यूल (ऑपरेशन पॉइंटर और एक्टिवेशन एड्रेस पॉइंटर) - पुटोपा / पॉपोपा, पुटारा / पोपारा में निहित दो रजिस्टरों के साथ काम करने के तरीके प्रदान करता है।

संकलक

अब चलो अंतिम प्रोग्रामर - संकलक के निकटतम भाग पर एक नज़र डालें। सामान्य तौर पर, एक प्रोग्राम के रूप में संकलक में 3 भाग होते हैं:

• lexer
• पार्सर
• संकलक

लेसर प्रोग्राम के स्रोत कोड को लेक्सिकल इकाइयों में अनुवाद करने के लिए जिम्मेदार है जिसे पार्सर समझता है।

पार्सर इन लेक्सिकल इकाइयों से एक सार सिंटैक्स ट्री बनाता है।

संकलक इस पेड़ से गुजरता है और निम्न-स्तरीय निर्देशों से युक्त किसी प्रकार का कोड उत्पन्न करता है। यह या तो एक बायोटेक या बाइनरी कोड हो सकता है जो प्रोसेसर द्वारा निष्पादित होने के लिए तैयार है।

OurLang संकलक में, इन भागों को क्रमशः कक्षाओं द्वारा दर्शाया जाता है

• Lexer.java
• Parser.java
• Compiler.java

भाषा

OurLang अपनी प्रारंभिक अवस्था में है, अर्थात यह काम करता है, लेकिन अभी तक इसमें बहुत सी चीजें नहीं हैं और यहां तक ​​कि भाषा के मूल भाग को भी अंतिम रूप नहीं दिया गया है। लेकिन संकलक के सार को समझने के लिए, वर्तमान स्थिति पर्याप्त है।

वाक्य रचना को समझने के लिए एक कार्यक्रम के एक उदाहरण के रूप में, यह कोड टुकड़ा प्रस्तावित है (इसका उपयोग कार्यक्षमता का परीक्षण करने के लिए भी किया जाता है):

 // single-line comments /* * Multi-line comments */ function print(int arg) { instr(putara, 0); instr(putw, 4); instr(add, 0); instr(lw, 0); instr(printword, 0); } function func1(int arg1, int arg2): int { print(arg1); print(arg2); if (arg1 == 0) { return arg2; } else { return func1(arg1 - 1, arg2); }; } function main() { var i: int; i = func1(1, 10); if (i == 0) { i = 1; } else { i = 2; }; print(i); } 

मैं भाषा पर ध्यान केंद्रित नहीं करूंगा, मैं इसे आपके अध्ययन के लिए छोड़ दूंगा। संकलक कोड के माध्यम से;)।

इसे लिखते समय, मैंने स्व-व्याख्या कोड बनाने की कोशिश की जो बिना टिप्पणी के स्पष्ट है, इसलिए संकलक कोड को समझने में कोई समस्या नहीं होनी चाहिए।

खैर, ज़ाहिर है, सबसे दिलचस्प बात कोड लिखना है, और फिर देखो कि यह क्या हो जाता है। सौभाग्य से, OurLang संकलक टिप्पणियों के साथ विधानसभा जैसा कोड उत्पन्न करता है,
जो अंदर क्या हो रहा है के बारे में भ्रमित नहीं होने में मदद करता है।

मैं विजुअल स्टूडियो कोड के लिए एक्सटेंशन स्थापित करने की भी सिफारिश करता हूं, यह भाषा के साथ काम करने की सुविधा प्रदान करेगा।

परियोजना सीखने के लिए शुभकामनाएँ!