%===================================================================== % 秋田高専 3E 電子計算機用テキスト % シフト命令 % last updated 2006.2.14 % created by Masashi Yamamoto % e-mail yamamoto@akita-nct.jp %===================================================================== \documentclass[10pt,a4paper]{jarticle} \usepackage{graphicx,amsmath,amssymb,ascmac,float,float} \usepackage{html, listings, jlisting} \oddsidemargin 0mm %左の余白 25.4mm-0mm　奇数ページ \evensidemargin 0mm %左の余白 25.4mm-0mm　偶数ページ \textwidth 160mm % \newcommand{\tw}[1]{\texttt{#1}} \newcommand{\vbt}[1]{\begin{verbatim} #1 \end{verbatim}} \newcounter{linenum} \newcommand{\wrtlinenum}{\multicolumn{1}{|r|}{\arabic{linenum}} \addtocounter{linenum}{1}} % \lstdefinelanguage{CASL2}{ morekeywords={START,END,DS,DC,OUT,RPUSH,RPOP,LD,ST,LAD,% ADDA,SUBA,SUBL,AND,OR,XOR,CPA,CPL,SLA,SRA,SLL,SRL,% JPL,JMI,JNZ,JZE,JOV,JUMP,PUSH,POP,CALL,RET,SVC,NOP,% GR0,GR1,GR2,GR3,GR4,GR5,GR6,GR7},% morecomment=[l]{;},% morestring=[b]",%" } % \renewcommand{\lstlistingname}{リスト} \lstset{language=CASL2,% basicstyle=\footnotesize,% commentstyle=\textit,% classoffset=1,% keywordstyle=\bfseries,% basewidth={0.8em,0.55em},% frame=tRBl,framesep=5pt,% showstringspaces=false,% numbers=left,stepnumber=1,numberstyle=\footnotesize% }% % % \begin{document} \title{CASL IIのプログラム例(その3)} \date{2006年2月17日} \author{山本昌志\thanks{独立行政法人　秋田工業高等専門学校　電気工学科}} \maketitle % % %===================================================================== \section{前回の復習と本日の学習内容} %===================================================================== %--------------------------------------------------------------------- \subsection{復習} %--------------------------------------------------------------------- 前回の講義では，教科書~\cite{text_casl2}の第5章の{\bf CASL IIプログラム例}の[例 題4]〜[例題7]を学習した． \begin{itemize} \item {\bf [例題4]論理演算とアドレス修飾} \begin{itemize}\setlength\itemsep{-5pt} \item アドレスをずらす(オフセット)ために，アドレス修飾が使われる．アドレスと 汎用レジスターの\tw{GR1}〜\tw{GR7}をカンマで区 切れはよい．(例) \tw{LD\quad GR1,DATA,GR2} \end{itemize} \item {\bf [例題5]シフト演算} \begin{itemize}\setlength\itemsep{-5pt} \item データを左に1ビットシフトさせると2倍される．右に1ビットさせると1/2にで きる． \item これを込み合わせて，かけ算や割り算が可能である．演算に使われる数を $2^n$の和に分解するのがコツである．ただし，$n$ は負の数も含む． \end{itemize} \item {\bf [例題6]繰り返し処理} \begin{itemize}\setlength\itemsep{-5pt} \item ジャンプ命令とそれを制御するフラグレジスターを使って，繰り返し処理がで きる． \end{itemize} \item {\bf [例題7]繰り返し処理とサブルーチン} \begin{itemize}\setlength\itemsep{-5pt} \item サブルーチンはプログラムの部品である． \item \tw{CALL}命令でサブルーチンを呼び出し，\tw{RET}命令で呼び出し元へ戻る． \end{itemize} \end{itemize} % %--------------------------------------------------------------------- \subsection{本日の内容} %--------------------------------------------------------------------- 本日は教科書のp101-114の以下の内容について学習する． \begin{itemize} \item {\bf [例題8]アドレスの受け渡し} \begin{itemize}\setlength\itemsep{-5pt} \item 完璧なサブルーチンを目指し，サブルーチンへのデータの渡し方を学習する． \end{itemize} \item {\bf [例題9]ラベルを2重に付ける方法} \begin{itemize}\setlength\itemsep{-5pt} \item \tw{DS}命令を使って，同じアドレスに2つのラベル名を付ける方法を学習する． \end{itemize} \item {\bf [例題10]数値データを文字データに変換} \begin{itemize}\setlength\itemsep{-5pt} \item メモリ中の整数値のデータを文字のデータとして，メモリーに格納する方法を 学習する．これは数値を標準出力(ディスプレイ)に 表示するときの必須テクニックである． \end{itemize} \end{itemize} % %===================================================================== \section{[例題8]アドレスの受け渡し} %===================================================================== %--------------------------------------------------------------------- \subsection{サブルーチンを実現するために必要なこと} %--------------------------------------------------------------------- プログラムの規模が大きくなると，その動作の内容が分かりにくくなる．また，似たよう な処理が増えてくる．そのため，プログラムを機能毎に分割することが行われている．機 能毎に分割した，専用のプログラムを利用するのである．このことにより \begin{itemize} \item 同じような機能のプログラムは1回だけ書いて，それをプログラムのいろいろな 場所から呼び出して何回もう． \item プログラムが機能毎に分かれているので，ソースが分かりやすくなる． \end{itemize} というようなメリットが生じる．この機能毎に分割したプログラムの単位をサブルーチン と言う．いわゆるプログラムの部品みたいなものである．一般には，サブルーチンは簡単 な機能を持つ単純な構造にする．複雑な動作をするものが一つあるよりも，単純なものを組 み合わせて複雑な動作をさせる方が簡単である． 実際のプログラムでは，図\ref{fig:subroutine}の様な構造となる．一番左のSTARTから ENDのラインがメインルーチンである．そして，処理Aから処理Dのラインが，それぞれサ ブルーチンとなっている．このようにサブルーチンが集まり，プログラムができあがる． 実際の動作は，呼び出されたサブルーチンが順次動作し，プログラムが実行される． \begin{figure}[hbtp] \begin{center} \includegraphics[keepaspectratio, scale=0.8]{figure/subroutine.eps} \caption{サブルーチンを使ったプログラムの構造} \label{fig:subroutine} \end{center} \end{figure} サブルーチンはプログラムの部品であると先程述べた．それが部品となるためには，他の プログラムにも転用可能である必要がある．ボルトは機械要素の部品である．これは，自 動車にも使えるし，飛行機，冷蔵庫などあらゆるものに使える．自動車にしか使えないボ ルトとなると用途が限られ，部品としては役割が小さくなる．部品として有用になるため には，汎用性が重要となる．サブルーチンも同じで，これが有用となるためにはどのプロ グラムでも使えるようにしなくてはならない． このような観点から，教科書~\cite{text_casl2}の[例題7]のプログラムを見る．そのプ ログラムはリスト\ref{prog:List_5_7}の通りで，最大値を検索サブルーチンを使ったプ ログラムとなっている．9〜20行がサブルーチンである．このサブルーチンの部分を他の プログラムで使おうとすると，\tw{DATA}と\tw{MAX}の部分を書き直す必要がある．プロ グラム毎に書き直す必要があるので汎用性があるとは言い難い．あまり良いサブルーチン とは言えない． サブルーチンのプログラムを書き換えることなく，他のプログラムでも使えるようにしな くてはならない．そのためには，重要なデータ，ここでは\tw{DATA}や\tw{KOSUU}， \tw{MAX}を引数として受け渡しすればよい．実際のプログラム方法は，教科書のList5-8 で学習する． %---------- プログラム 教科書[例題7]--------- \lstinputlisting[caption=サブルーチンを使ったプログラム例,label=prog:List_5_7] {program/text_list_5_7e.cas} % %--------------------------------------------------------------------- \subsection{データの渡し方} %--------------------------------------------------------------------- 教科書のp.102にちょっと分かりにくいプログラムが載せてある．C言語が分かる人はこ こで何が言いたいか分かるが，諸君は学習していないのであまりにも唐突に思えるだろう． 分からない人は，気にしないでも良い． サブルーチンにデータを渡す方法は，2種類ある．{\bf アドレス渡し}と{\bf 値渡し}で ある．図\ref{fig:data_memory}のようにメモリーにデータがあるとする．アドレス \tw{\#0042}のデータ\tw{\#1234} をサブルーチンで処理する場合，それを渡す必要があ る．この場合， \begin{list}{}{% \leftmargin=10zw \labelsep=1zw \labelwidth=10zw \itemindent=0pt } \item [{\bf アドレス渡し}]処理するデータのアドレス\tw{\#0042}をサブルーチンに渡 す．この場合，サブルーチンはアドレスを知ることが出きるので，\tw{\#0042} 番地の 内容を書き換えることができる． \item[{\bf 値渡し}]処理するデータの値\tw{\#1234}をサブルーチンに渡す．この場合， サブルーチンはアドレスが分からないので，\tw{\#0042} 番地の内容を書き換えること ができない． \end{list} である．いずれにしても，サブルーチンは，処理すべきデータ\tw{\#1234}を知ることがで きるが，アドレス\tw{\#0042}の内容を書き換えることができるか否かが異なる． どちらの方法を使うかは，処理の内容により異なる．諸君が経験を積めば，どちらを使う べきか分かるだろう．ここでは，そこまで踏み込まないことにする． \begin{figure}[H] \begin{center} \includegraphics[keepaspectratio, scale=0.8]{figure/data_memory.eps} \caption{サブルーチンへ処理すべき内容を渡す方法} \label{fig:data_memory} \end{center} \end{figure} % %--------------------------------------------------------------------- \subsection{教科書の例} %--------------------------------------------------------------------- 教科書の[例題8]は，[例題6]や[例題7]同様，最大値データの最大値を求めるプログラム である．これらのプログラムで解く問題は， \begin{itemize} \item ラベル\tw{DATA}が示すアドレス以降に，整数のデータが格納されている． \item 格納されているデータ数は，ラベル\tw{KOSUU}が示すアドレスに格納されている． \item 格納されている整数データの最大値を捜し，ラベル\tw{MAX}が示すアドレスに格 納する． \end{itemize} である．同じ問題を解いているが，それぞれプログラムの方法が異なっており，少しずつ プログラムが以下のように進化している． \begin{list}{}{\leftmargin=6zw \rightmargin=3zw \labelsep=1zw% \labelwidth=5zw \itemindent=0pt} \item [{\bf [例題6]}]メインルーチンだけで最大値を求めているため，プログラムの処 理が分かりにくいプログラムとなっている． \item [{\bf [例題7]}]サブルーチンを使って分かりやすいプログラムになっているが， サブルーチンの汎用性が無い． \item [{\bf [例題8]}]サブルーチンが汎用性があり，他のプログラムでも修正無しで使 えるようになっている． \end{list} すでに，[例題7]までの学習は完了している．ここでは，[例題7]から[例題8]への進化の 過程を学習する．ここでの進化は，最大値を捜す関数の独立性を高め，サブルーチンを書 き換えることなく，他のプログラムに移植可能にしたことである．それを可能にするため には，サブルーチン内では，\tw{DATA}や\tw{KOSUU}，\tw{MAX}という文字を書かないこ とである．しかし，これらはサブルーチンでの処理上，極めて重要なデータとなっている ので，そのデータの内容はサブルーチンに伝える必要がある．このような場合，引数を使 うのが常套手段である．教科書のList 5-8では，次節に示すように，汎用レジスターを使っ てデータの受け渡しをしている．このようにすると，呼び出し側でレジスターに入れる変 数を変えるだけで，サブルーチンはどのようなルーチンからでも呼び出しができるように なる． 汎用的なサブルーチンは，どんなプログラムからでも呼び出しができるようにしなくては ならない．[例題10]のList5-10では，割り算のサブルーチンが使われており，これは頻繁 に使われるので，レジスターを使ってデータを渡している．どんな呼び出し元であれ，レ ジスターの値を変えるだけで，サブルーチンに処理を依頼できる． % %--------------------------------------------------------------------- \subsection{プログラムの構造とフローチャート} %--------------------------------------------------------------------- このプログラムのフローチャートを図\ref{fig:flow_chart_list5_8}に示す．このプログ ラムを理解するために，ここで使われているレジスターやラベルの内容を表 \ref{tab:list9_variable}に示しておく． 汎用レジスターの\tw{GR1}と\tw{GR2}，\tw{GR3}を使って，サブルーチンで処理に必要な データ\tw{DATA}や\tw{KOSUU}，\tw{MAX}を送っている．こうすると，他のルーチンから もデータの先頭アドレスと個数，最大値を格納するアドレスを送れば，このサブルーチン が処理できる．ほかのルーチンでのラベル名が異なっても，このサブルーチンが使えるの である． サブルーチンでは，\tw{GR1}〜\tw{GR5}を使って処理をしている．サブルーチンが終了す るときには，メインルーチンで使っているこれらのレジスターを元に戻さなくてはならな い．サブルーチンがメインルーチンの動作に関与する可能性が生じるからである．そのた めに，次のような動作が必要である． \begin{itemize} \item サブルーチンでは，最大値を求める処理に先立って，レジスターの値をスタック 領域に待避させる． \item 最大値を求める処理が終了した後，メインルーチンに戻る前に，スタック領域に 待避させたレジスターの値を元に戻す． \end{itemize} これらのことを，\tw{PUSH}と\tw{POP}命令を使って，処理している． % \begin{table}[H] \begin{center} \caption{汎用レジスターとメモリの内容} \label{tab:list6_variable} \begin{tabular}{lll} \hline & メインルーチン & サブルーチン \\ \hline\hline DATA & データの先頭アドレス & 未使用 \\ KOSUU & データ数が格納されたアドレス & 未使用　\\ MAX & 最大値を格納するアドレス & 未使用 \\ GR1 & データ数 & データ数-1 \\ GR2 & データの先頭アドレス & 比較するデータのアドレス \\ GR3 & 最大値を格納するアドレス & 最大値を格納するアドレス \\ GR4 & 未使用 & カウンター(比較済みデータ数-1) \\ GR5 & 未使用 & 比較するデータ \\ \hline \end{tabular} \end{center} \end{table} % \begin{figure}[hbtp] \begin{center} \includegraphics[keepaspectratio, scale=0.8]{flow_chart/REI5-8.eps} \caption{教科書のList 5-9のプログラムの構造とフローチャート} \label{fig:flow_chart_list5_8} \end{center} \end{figure} % \newpage %===================================================================== \section{[例題9]ラベルを2重につける方法} %===================================================================== 教科書のList5-9のプログラムを例にして，ラベルを2重につける方法について説明する． % %--------------------------------------------------------------------- \subsection{教科書の例} %--------------------------------------------------------------------- 教科書の[例題6](p.97)〜[例題8](p.101)は，いずれも与えられたデータの最大値を求め るプログラムであった．これらの場合，最大値を求めたいデータの数列とその数が与えら れていた．データ数を元に，数列を読みしと比較を繰り返すことにより最大値を探索した． ここでは，データ数が与えられていない場合のテクニックを学習する． 教科書のプログラムの内容は， \begin{itemize} \item ラベル\tw{DATA}が示すアドレスからデータが格納されている． \item アセンブラ命令\tw{DS}を上手に使うことにより，データの終わりのアドレスは， ラベル\tw{LAST-1}で示している． \item アドレス\tw{DATA}〜\tw{LAST-1}に格納されている数列を合計して，ラベル \tw{SUM}に格納する． \end{itemize} である．このプログラム例で学習することは，最終データがあるアドレスにラベル名をつ けることである．それは，プログラム中で示しているように % \begin{quote} \setlength{\baselineskip}{12pt} \begin{verbatim} DATA DC 1,5,6,8,9 LAST DS 0 ;数列の最終アドレス+1 \end{verbatim} \end{quote} % とするのである．こうすると数列の先頭のアドレスは\tw{DATA}で，最終アドレスは \tw{LAST-1}で示すことができる． % %--------------------------------------------------------------------- \subsection{プログラムの構造とフローチャート} %--------------------------------------------------------------------- このプログラムのフローチャートを図\ref{fig:flow_chart_list5_9}に示す．このプログ ラムを理解するために，ここで使われているレジスターやラベルの内容を表 \ref{tab:list9_variable}に示しておく．プログラムの内容を理解するときには，変数が 示す内容を考えるのが第一歩である．諸君も，プログラムの内容を調べるときには，変数 の意味を調べることから始めよ．全て分からなくても良い．分かるものから，その意味を プログラム中に書け． このプログラムは，そんなに難しくなく，最終アドレス間で次々に加算しているのが理解 できるであろう． % \begin{table}[H] \begin{center} \caption{汎用レジスターとメモリの内容} \label{tab:list9_variable} \begin{tabular}{ll} \hline \tw{GR0} & 加算途中および結果の合計値 \\ \tw{GR1} & データの最終アドレス+1(\tw{LAST})\\ \tw{GR2} & 読み込むデータのアドレス(\tw{LAST}〜\tw{LAST-1})\\ \tw{DATA} & 加算する数列の先頭アドレス\\ \tw{LAST} & 加算する数列の最終アドレス\\ \tw{SUM} & 数列を加算した結果を格納するメモリーのアドレス\\ \hline \end{tabular} \end{center} \end{table} % \begin{figure}[hbtp] \begin{center} \includegraphics[keepaspectratio, scale=0.8]{flow_chart/REI5-9.eps} \caption{教科書のList5-9のプログラムの構造とフローチャート} \label{fig:flow_chart_list5_9} \end{center} \end{figure} % \newpage %===================================================================== \section{[例題10]数値データを文字データに変換} %===================================================================== 教科書のList5-10のプログラムを例にして，数値データを文字データに変換する方法を説 明する． % %--------------------------------------------------------------------- \subsection{教科書の例} %---------------------------------------------------------------------% 教科書の例のプログラムは，メモリーに格納されている整数データを文字に変換して表示 するものである．表示の約束は，以下の通りである． % \begin{itemize} \item ラベル\tw{A}に入っている数値(最大5桁)を文字列に変換して，\tw{OUT}命令で表示す る． \item 表示には6桁(カラム)用意して，第1桁は符号で負の場合のみ表示する．2〜6桁は 絶対値を表す．ただし，上位の桁が0の場合，スペースを入れる． \end{itemize} % ラベル\tw{A}の数値が最大5桁なのは，それを符号付き整数として取り扱うからである． その場合，1ワードで表現できるのは，-32768〜32767の範囲である．これが5桁で，符号 を合わせると表示に6桁必要になる．実際には図のように，6カラムで負号のみ左端に表示 し，数値は右詰で表示する． % \begin{figure}[hbtp] \begin{center} \includegraphics[keepaspectratio, scale=1.0]{figure/print.eps} \caption{教科書のList5-10の数値を文字に変換} \label{fig:flow_chart_list5_A} \end{center} \end{figure} % プログラムの作成方法と動作について，教科書に沿って説明する． % \begin{table}[H] \begin{center} \caption{メインルーチンの汎用レジスターとメモリの内容} \label{tab:list9_variable} \begin{tabular}{ll} \hline \tw{GR0} & 処理すべき数値(処理する毎に桁が減少) \\ \tw{GR1} & カウンター(処理する桁を示す)\\ \tw{GR2} & 除数\\ \tw{GR3} & その桁の値(整数)\\ \tw{C4} & わり算が必要な桁数\\ \tw{BUFF} & 文字を格納するメモリーの先頭アドレス\\ \tw{MOJI} & \tw{\#0030}．これを整数に足せば，その文字コードになる．\\ \tw{WORK} & 以前の桁のフラグ(0:全てゼロ それ以外:ゼロ以外が現れた)\\ \tw{WORK+1}〜\tw{4} & 桁 \\ \hline \end{tabular} \end{center} \end{table} % \begin{table}[H] \begin{center} \caption{サブルーチン\tw{DIV}の汎用レジスターとメモリの内容．このサブルーチン では$\tw{GR0}\div\tw{GR2}\rightarrow\text{商}\tw{GR3}\text{余り}\tw{GR0}$を計 算している．} \label{tab:list9_variable} \begin{tabular}{lll} \hline レジスター & 実行前 & 実行後 \\ \hline \tw{GR0} & 被除数 & 余り \\ \tw{GR2} & 除数 & 除数(変化無し) \\ \tw{GR3} & 不定 & 商 \\ \hline \end{tabular} \end{center} \end{table} % \begin{figure}[hbtp] \begin{center} \includegraphics[keepaspectratio, scale=0.7]{flow_chart/REI5-A.eps} \caption{教科書のList5-10のプログラムとフローチャート} \label{fig:flow_chart_list5_A} \end{center} \end{figure} % %===================================================================== %　参考文献 %===================================================================== \bibliographystyle{jplain} \bibliography{reference} %===================================================================== % %===================================================================== \end{document}