求指导：为自定义16位指令集实现汇编器与模拟器

一、汇编器实现步骤 #

1. 词法分析 #

• 拆分输入汇编代码为令牌（Token）：涵盖指令名（如li、add）、寄存器（R1/R2/R3）、立即数（如0x00、0xFF）、标签（如loop:）、注释（以;开头的内容）。
• 直接忽略所有注释，同步记录标签出现的位置，用于后续绑定内存地址。

2. 符号表构建 #

• 程序从0x0000CFFF地址开始加载，每条指令占2字节（16位），因此第一条指令地址为0xCFFF，第二条为0xD001，后续地址依次递增2。
• 遍历汇编代码，将所有标签（如loop）与对应的指令起始地址绑定，存入符号表。

3. 指令编码（按小端序生成字节码） #

根据指令类型，将令牌转换为16位半字，再拆分为小端序的两个字节（低字节在前，高字节在后）：

• 无操作数指令（halt、nop）：
  格式：[4位opcode] + [12位0]
  例：halt → 16位值0x0000 → 字节码0x00 0x00
• 单寄存器指令（inc、dec、jr）：
  格式：[4位opcode] + [4位寄存器编号] + [8位0]（寄存器编号：R1=0x1，R2=0x2，R3=0x3）
  例：inc R1 → 16位值0xD100 → 字节码0x00 0xD1
• 双寄存器指令（lw、sw）：
  格式：[4位opcode] + [4位目标寄存器] + [4位源寄存器] + [4位0]
  例：sw R1 R1 → 16位值0x4110 → 字节码0x10 0x41
• 三寄存器指令（add、sub、mult、div、beq、bne）：
  格式：[4位opcode] + [4位寄存器1] + [4位寄存器2] + [4位寄存器3]
  例：bne R1 R2 R3 → 16位值0xC123 → 字节码0x23 0xC1
• 立即数指令（li）：
  格式：[4位opcode] + [4位寄存器编号] + [8位立即数]（立即数取输入值的低8位，符号扩展为32位）
  例：li R1 0x00 → 16位值0x2100 → 字节码0x00 0x21
• 跳转指令（j）：
  格式：[4位opcode] + [12位目标地址]（取输入地址的低12位）
  例：j 0xD005 → 16位值0x9D05 → 字节码0x05 0x9D

二、模拟器实现步骤 #

1. 初始化硬件环境 #

• 内存：模拟64K字节数组，地址范围0x0000~0xFFFF，初始值全为0。
• 寄存器：
  • 通用寄存器：R1=0、R2=0、R3=0
  • 特殊寄存器：程序计数器PC=0xCFFF，条件寄存器COND=0（可用位标志：bit0=零标志Z，bit1=负标志N）

2. 加载程序 #

将汇编器输出的字节码按顺序写入内存，从0xCFFF开始，每2字节对应一条指令（小端序存储）。

3. 指令执行循环 #

重复以下步骤直到遇到halt指令：

1. 读取指令：从PC地址读取1字节（低字节），PC+1地址读取1字节（高字节），组合为16位指令：instruction = (high_byte << 8) | low_byte
2. 解析指令：提取前4位作为操作码opcode = (instruction >> 12) & 0xF，再根据opcode类型提取寄存器或立即数：
   • 单寄存器：reg = (instruction >> 8) & 0xF
   • 双寄存器：reg1 = (instruction >> 8) & 0xF，reg2 = (instruction >> 4) & 0xF
   • 三寄存器：reg1 = (instruction >> 8) & 0xF，reg2 = (instruction >> 4) & 0xF，reg3 = instruction & 0xF
   • 立即数：imm = instruction & 0xFF（符号扩展为32位）
   • 跳转地址：addr = instruction & 0xFFF（扩展为32位地址0x0000 | addr）
3. 执行指令操作：

   opcode	指令	执行逻辑
   0x00	halt	终止循环
   0x01	nop	PC += 2
   0x02	li	将符号扩展后的立即数存入目标寄存器，PC += 2
   0x03	lw	从R[reg2]指向的内存地址读取4字节（32位字）存入R[reg1]，PC += 2
   0x04	sw	将R[reg2]的32位字写入R[reg1]指向的内存地址，PC += 2
   0x05	add	R[reg1] = R[reg2] + R[reg3]，更新COND（结果为零则Z=1，为负则N=1），PC += 2
   0x06	sub	R[reg1] = R[reg2] - R[reg3]，更新COND，PC += 2
   0x07	mult	R[reg1] = R[reg2] * R[reg3]，更新COND，PC += 2
   0x08	div	R[reg1] = R[reg2] // R[reg3]（整数除法），更新COND，PC += 2
   0x09	j	PC = addr
   0x0A	jr	PC = R[reg]
   0x0B	beq	if R[reg1] == R[reg2]: PC = R[reg3] else: PC +=2
   0x0C	bne	if R[reg1] != R[reg2]: PC = R[reg3] else: PC +=2
   0x0D	inc	R[reg] +=1，更新COND，PC +=2
   0x0E	dec	R[reg] -=1，更新COND，PC +=2

4. 记录寄存器状态：每条指令执行后，输出当前PC、R1、R2、R3、COND的数值。

三、示例程序验证 #

对给定的计数器程序，汇编器需完成：

1. 识别loop标签，绑定到其指令起始地址0xD005
2. 将li R3 loop编码为0x2305（假设loop地址低8位为0x05），字节码0x05 0x23

模拟器执行时，会循环将R1的值存入R1指向的内存地址，直到R1等于0xFFFF，然后执行halt终止。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Quark