技術書 2022年10月24日

はじめてのOSコードリーディング個人メモ【PDP-11/40 アセンブリ編】

PDP-11/40におけるアセンブリ構文

PDP11のアセンブリは、その他のアセンブリと似ているところもあるが、初見だとなかなか読めず苦戦するのでまとめます。

なお、これからまとめる内容は、Lions本と呼ばれる有名なOSの教科書を参考にしています。

(リンク以外のオレンジの字は私の独り言です。読み進めたら解決できるかも、な部分。)

なお、この記事の対象者は主に下記の本を読んでいる人向けです。

はじめてのOSコードリーディング UNIX　V6で学ぶカーネルのしくみ（Software　Design　plusシリーズ） [ 青柳隆宏 ]

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おさらい

PSWと汎用レジスタについて

PDP11のニーモニック(命令の種類) について見ていく前に、PSWと汎用レジスタの構成についてまとめます。

これを理解していないと、ニーモニックの意味が理解できません。

算術演算 (ビット演算)

演算	例
`&` (AND)	`1100 & 1001 = 1000`
`\|` (OR)	`1100 \| 1001 = 1101`
`!` / `~` (NOT)	`~(1100) = 0011`
`^` (XOR)	`1100 ^ 1001 = 0101`
`>>` (右シフト)	`1100 >> 1 = 0110`
`<<` (左シフト)	`0011 << 2 = 1100`

上記演算した結果、オーバーフローしたら PSWの Vフラグが立つといったことが起こります。

用語整理

用語	意味
ニーモニック	元々オペコードと呼ばれる数字の羅列を命令としてCPUは扱っているが、それを人間にわかりやすく短い文字列としたもの。(例: `mov`)
オペランド	被演算子。`mov A, B` の`A`と`B`のこと。`1 + 2` の `1`と`2` もオペランドと言える。
アドレッシングモード	レジスタへの参照の仕方。`(r0)`や`4(r1)`などのような表記がそれ。

アドレッシングモード一覧

アドレッシングモードとは、レジスタを参照したときにそれをどう扱うかを決定するモードです。

rNは汎用レジスタで、実際にはr1やr2のような表記になります。

基本

表記	説明
`rN`	`rN`を参照して、それをオペランドとする。
`(rN)`	`rN`を参照して、それをアドレスとしてオペランドを取得する。
`(rN)+`	`rN`を参照して、それをアドレスとしてオペランドを取得する。その後`rN`の内容をインクリメントする。
`*(rN)+`	`rN`を参照して、それをオペランドへのポインタのアドレスとする。その後`rN`の内容を 2 だけインクリメントする。
`-(rN)`	実行前に`rN`の内容をデクリメントし、その値をアドレスとしてオペランドを取得する。
`*-(rN)`	実行前に`rN`の内容を 2 だけデクリメントし、それをオペランドへのポインタのアドレスとする。
`X(rN)`	`rN + X`がオペランドのアドレスとする。`X`は任意の数値が入る (例: `4(r3)`)。
`*X(rN)`	`rN + X`がオペランドへのポインタのアドレスとする。

r6とr7はそれぞれ、sp (スタックポインタ) と pc (プログラムカウンタ) と表記される場合もあります。

またspのアドレッシングモードは一部異なります。

spのアドレッシングモード

表記例	説明
`(sp)`	スタックのトップをオペランドとする。
`(sp)+`	スタックのトップをオペランドとする。実行後にそれをポップする。
`*(sp)+`	スタックのトップをオペランドのアドレスとする。実行後にそれをポップする。
`-(sp)`	値をスタックにプッシュする。
`X(sp)`	スタックのトップから`X`番目をオペランドとする。
`*X(sp)`	スタックのトップから`X`番目をオペランドのアドレスとする。

その他

表記例	説明
`$n`	`n`をそのまま使う。
`*$n`	`n`をアドレスとして使う。

ニーモニック一覧

ここからは、[src] / [dest]は任意のオペランド (値やレジスタ) が入ると思ってください。

[label]には飛ぶ先のラベル (例: 1f)などが入ります。

ちなみに、nfはForwardで次のnラベルに飛ぶという意味で、nbはBackwardなので、前のnラベルに飛ぶという意味です。

演算後に状態フラグをいじるもの

先に、状態フラグ N, Z, V, Cを書き換えるニーモニックをまとめます。

これのあとに条件分岐のニーモニックが基本続きます。

ニーモニック	意味
`bit [src], [dest]`	`[src]`と`[dest]`でAND演算をする。その結果をもとに状態フラグを書き換える。
`cmp [src], [dest]`	`[src]`と`[dest]`を比較し状態フラグを書き換える。例えば`[src]`が`[dest]`より小さい場合、Nに1が立つ (= `[src] - [dest]`)。等価であれば Zに1が立つ。
`tst [src]`	`[src]`をもとに状態フラグを書き換える。

条件分岐

下記は後に出てくるjmpとは違い、飛べる範囲が -128 ~ 127と決まっているようです。

ニーモニック	意味
`beq [label]`	結果が0 (`Z=1`)のときに`[label]`へ飛ぶ。 (Branch if equalsの略)
`bec [label]`	`C=0`ならば`[label]`へ飛ぶ。
`bne [label]`	結果が非0 (`Z=0`)のときに`[label]`へ飛ぶ。 (Branch if not equalsの略)
`bge [label]`	比較結果が大きいもしくは等しい(e.g. `N=0 && V=0`) ときに`[label]`へ飛ぶ。 (Branch if greather than or equal toの略)
`ble [label]`	比較結果が小さいもしくは等しい(e.g. `N != V`) ときに`[label]`へ飛ぶ。 (Branch if less than or equal toの略)
`bhi [label]`	結果が高い (e.g. `C=0 && Z=0`)のとき`[label]`へ飛ぶ。 (Branch if higherの略: “高い” という表現がわかりにくい)
`bhis [label]`	結果が高い、もしきは等価 (e.g. `C=0`)のとき`[label]`へ飛ぶ。 (Branch if higherの略: “高い” という表現がわかりにくい)
`blo [label]`	結果が低い (e.g. `C=1`)のとき`[label]`へ飛ぶ。 (Branch if lowerの略)
`br [label]`	無条件に`[label]`へ飛ぶ。
`sob rN, [label]`	`rN`をデクリメントし、その結果が非0であれば、`[label]`へ飛ぶ。このとき`[label]`は`2b`のような戻る動作とする。

ジャンプ

ニーモニック	意味
`jmp [dest]`	`[dest]`に無条件で飛ぶ。
`jsr [src], [dest]`	任意のレジスタ (`[src]`) をスタックのトップにおいて、サブルーチン (`[dest]`)に飛ぶ。このとき`[src]`にサブルーチンから戻ったときの次の命令のアドレスが格納される。通常、`pc`を渡すことが多く、`rts pc`で元の位置に戻る。 (例 /sys/conf/m40.s#L492: `jsr pc,copsu` )

その他

ニーモニック	意味
`adc [dest]`	Cビットの中身を`[dest]`に加算する。
`add [src], [dest]`	`[src]`を`[dest]`に加算する。
`ash $n, [src]`	`[src]`の値を`$n`だけ左シフトする。(例: `ash $2, r2` … r2の値を2bit左シフトする)
`ashc $n, [src]`	`[src][src+1]`を`$n`だけ左シフトする。(連鎖算術シフト)
`asl [dest]`	`[dest]`を1つ左シフトする。
`asr [dest]`	`[dest]`を1つ右シフトする。
`bic [src], [dest]`	`[src]`の1が立っている桁に対応した`[dest]`の桁を0にクリアする。
`bis [src], [dest]`	`[src]`と`[dest]`をXOR演算し、結果を`[dest]`に格納する。
`clc`	Cフラグをクリアする。
`clr [dest]`	`[dest]`を0にする。
`dec [dest]`	`[dect]`をデクリメントする。
`div [src], rN`	`rN`と`r(N+1)` (このとき`N`は偶数) に格納された32bitの2の補数表現された整数を`[src]`で除算する。`rN`に商を、`r(N+1)`に余りを格納する。
`inc [dest]`	`[dect]`をインクリメントする。
`mfpi [dest]`	“以前の” アドレス空間で指定されたワードを現在のスタックにプッシュする。 (Move From Previous Instruction space の略) (「”以前の” アドレス空間で指定されたワード」がよくわからない。以前のモードの仮想アドレス空間を指している？) (このあたりは “割り込み” の解説で解決するかも)
`mtpi [dest]`	“以前の” アドレス空間で指定されたワードに、現在のスタックからポップした値を格納する。 (Move To Previous Instruction space の略)
`mov [src], [dest]`	`[src]`の値を`[dest]`に格納する。
`mul [src], rN`	`[src]`と`rN`の積を取る。`N`が偶数ならば結果は`rN`と`r(N+1)`に格納される。
`reset`	UnibusのINIT行を10ミリ秒に設定する。全てのデバイスコントローラを再初期化するということ。
`ror [dest]`	`[dest]`の全てのビットを1つ右回転させる。ここで言う”回転”とは、最上位ビットと最下位ビットが連結して、数珠状になっているとみて、ビットをシフトすることを指す。ただし、0ビット目はCフラグに、以前のCフラグの値が15ビット目に入る。
`rts [dest]`	サブルーチンから戻る。`rN`からpcを読み込み、スタックから`rN`を読み込む。
`rtt`	割り込みまたはトラップから戻る。pcとpsをスタックから読み込む。
`sbc [dest]`	`[dest]`からキャリービットを引く。
`sub [src], [dest]`	`[dest]`から`[src]`を引く。
`swab [dest]`	`[dest]`の上位ビットと下位ビットをスワップする。
`wait`	ハードウェア割り込みが発生するまで、プロセッサをアイドル状態にし、Unibusを解放する。

例: fork.s

以上を踏まえて試しに、PDP-11/40のアセンブリを読んでみます。

.globl	_fork, cerror, _par_uid  / _forkの公開と、他のグローバル変数、関数の使用を宣言

_fork:
	mov	r5,-(sp)	/ r5の値をスタックに積む
	mov	sp,r5	/ スタックポインタをr5に格納
	sys	fork	/ カーネルのfork()をコール
		br 1f	/ 前方の1:に飛ぶ
	bec	2f	/ もしC=0ならば前方の2:に飛ぶ
	jmp	cerror	/ 飛べなかった場合は、cerror (/source/s4/cerror.s)に飛ぶ
1:
	mov	r0,_par_uid	/ r0の値を _par_uidに格納
	clr	r0	/ r0 をクリア
2:
	mov	(sp)+,r5	/ スタックをPOPし、その値をr５に格納
	rts	pc	/ プログラムカウンタを返す
.bss
_par_uid: .=.+2

7,8行目に2種類の条件分岐が存在し、「brあるならbecに到達しなくない？」と一瞬思ったのですが、fork()内で親プロセスはpcを１命令分進めているので、親プロセスはbecに到達するということですね (書籍にも書いてありました)。

また、spと(sp)、(sp)-と+(sp)の違いをしっかり理解していることが大事ですね。

ちなみに書籍にも書いてある通り、fork()で何かしらエラーがあればCフラグに1が立つようになっているので、becを使用した分岐になっています。