PDP-11のインタプリタを作った話

PDP-11のインタプリタを作った話 @kanorimon

>誰？ • kano • Twitter:@kanorimon • Github:https://github.com/kanorimon/ • 低レイヤ初心者 • 文系SE 兼情報系大学一年生 • たまにJava書く程度の能力 • パタヘネ読み始めてMIPSで詰み、偶然見つけた池袋バイナリ勉強会へ

>何を話すのか？ • 初心者がPDP-11のインタプリタを作ってみた • 池袋バイナリ勉強会でやったカリキュラムを紹介 • バイナリを教えるときの参考になれば • PDP-11でない方が良いかもしれませんが……

>カリキュラム • Brainf*ckのインタプリタ作成 • PDP-11の逆アセンブラ作成 • PDP-11のインタプリタ作成 • UNIX V6のカーネルビルド

>Brainf*ckのインタプリタ作成ソース実行結果

>Brainf*ckのインタプリタソース byte[] mem : メモリをあらわす配列プログラムをPC=1から順に読込み、pcの位置にある命令によって処理を分岐する int ptr : ポインター int pc : プログラムカウンタ

>Brainf*ckでわかったこと • メモリはbyte配列として表現できる • メモリを読み書きするにはポインタ(アドレス)(添え字)が必要 • 原則として、プログラムは1命令目から順に実行される • 次に実行する命令がある位置はプログラムカウンタが管理している • ジャンプ命令やループ命令はプログラムカウンタを書き換える命令

>PDP-11の逆アセンブラ作成ソース

>PDP-11の逆アセンブラ作成バイナリ実行結果

> PDP-11の逆アセンブラソース仮想メモリ空間をあらわす配列を作成 byte[] mem バイナリを仮想メモリ空間に読み込み

>PDP-11の逆アセンブラソースコンディションコードをあらわす変数を作成 boolean n boolean z boolean v boolean c レジスタをあらわす配列を作成 int reg[0]～[7]

>PDP-11の逆アセンブラソース int ptr : ポインター Int pc : プログラムカウンタ命令ごとにソース/デスティネーションのオペランドを判定する命令を1桁ずつ分類してニーモニックを判定する例）000006 : RTT , 0001xx : JMP

>PDP-11の逆アセンブラソース結果を画面に出力

>PDP-11の逆アセンブラでわかったこと • バイナリ • 0と1のファイル • 一定のルール(仕様)をもとに解釈するとアセンブリに書き換えることができる（この仕様のセットを命令セットと言う） • PDP-11 • レジスタは、R0～R7 • コンディションコードは、N(ネガティブ),Z(ゼロ),V(オーバーフロー),C(キャリー) • 命令セット

>PDP-11の逆アセンブラ（発展）ソースアドレッシングモードの取り込み R1 : R1にオペランドがある (R1) : R1にオペランドのアドレスがある (R1)+ : R1オペランドのアドレス、実行後にR1の内容をインクリメント *(R1)+ : R1にオペランドへのポインタのアドレス、実行後にR1の内容を2だけインクリメント −(R1) : R1にオペランドのアドレス、実行後にR1の内容をデクリメント *−(R1) : R1にオペランドへのポインタのアドレス、実行後にR1の内容を2だけデクリメント 2(R1) : R1+2がオペランドのアドレス *2(R1) : R1+2がオペランドのポインタへのアドレス

>PDP-11のインタプリタ作成ソース実行結果

> PDP-11のインタプリタソース仮想メモリ空間をあらわす配列を作成 byte[] mem バイナリを仮想メモリ空間に読み込み

>PDP-11のインタプリタソースコンディションコードをあらわす変数を作成 boolean n boolean z boolean v boolean c レジスタをあらわす配列を作成 int reg[0]～[7]

>PDP-11の逆アセンブラソース命令ごとにレジスタ・メモリの操作を行う命令を1桁ずつ分類してニーモニックを判定する例）000006 : RTT , 0001xx : JMP

>PDP-11のインタプリタソースシステムコールの実装 read() write() exit() …

>PDP-11のインタプリタ（発展１） • PDP-11のnmを読み込んで、標準出力にオブジェクトファイルのシンボルリストを出力した • PDP-11のccを読み込んで、Cのソースをコンパイルした

>PDP-11のインタプリタ（発展２） • fork(),exec(),wait()の実装 • リファクタリングカーネルクラスプロセスクラス仮想アドレス空間クラス

>PDP-11のインタプリタでわかったこと • UNIX V6 • ユーザー空間とカーネル空間は異なる • プロセスごとに仮想アドレス空間を持ち、MMUがメモリの物理アドレスに変換する • 仮想アドレス空間はテキスト／空き領域（マジックナンバ0410の場合）／データ+bss／ヒープ／空き領域／スタックとなっている • ファイルはinodeで管理されている • ファイル入出力等の基本機能はシステムコールを呼び出すことで実現している • 関数呼び出しをする場合は、スタックに引数と戻り先のアドレスを格納してからジャンプする

>PDP-11のインタプリタでわかったこと • コンパイラ • ccは以下の順で実行する • （Cコンパイラ）/lib/c0 • （Cコンパイラ）/lib/c1 • （アセンブラ）/bin/as • （アセンブラ）/lib/as2 • （リンカ）/bin/ld

>UNIX V6のカーネルビルドインタプリタ CC ロード UNIX V6 カーネル UNIX V6 ソースコンパイル

>UNIX V6のカーネルビルド • lib1 • cd ken • java pdp11.Pdp11 -e -s cc -c -O *.c • java pdp11.Pdp11 -e -s ar r lib1 main.o trap.o sig.o sysent.o • java pdp11.Pdp11 -e -s ar r lib1 *.o • lib2 • cd dmr • java pdp11.Pdp11 -e –s cc -c -O *.c • java pdp11.Pdp11 -e -s ar r lib2 *.o

>UNIX V6のカーネルビルド • con/mkconf • cd conf • java pdp11.Pdp11 -e -s as m40.s • rename a.out m40.o • java pdp11.Pdp11 -e -s cc mkconf.c • rename a.out mkconf • rkunix • (echo rk& echo tm& echo tc& echo done)| java pdp11.Pdp11 -e -s mkconf • java pdp11.Pdp11 -e -s cc -c c.c • java pdp11.Pdp11 -e -s as l.s • java pdp11.Pdp11 -e -s ld -x a.out m40.o c.o lib1 lib2 • copy a.out rkunix

>うまく動かない… 実行ログを確認してインタプリタのソースから実装ミスを探す ↓ 【よくあったミス】コンディションコードの設定システムコールの仕様

>UNIX V6のカーネルビルド結果 • 処理時間→1:50

>UNIX V6のカーネルビルド結果 • 処理時間→1:50→1:50:00

>UNIX V6のカーネルビルド結果 • ボトルネックは10進数の値を8進数に変換して、そのx桁の値を取得する処理 • 例：42798→0123456→3桁目=3

>UNIX V6のカーネルビルド結果 • 処理時間→1:50→1:50:00→0:07:30

>総括 • 着手から完成まで約半年（100～200時間）程度 • 自分で手を動かしてプログラムを作ることで、楽しく調べながら勉強を進めることができました • HACKING本読んでます • 初心者におすすめな本があれば教えてください

PDP-11のインタプリタを作った話

by kanorimon

on May 25, 2014

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