mars.scm

   1 ;;;
   2 ;;; An implementation of the Memory Array Redcode Simulator (MARS)
   3 ;;;
   4
   5 (import (chicken io)
   6         (chicken string)
   7         (chicken random)
   8         (chicken condition)
   9         matchable)
  10
  11 ;;; Constants
  12 ;;
  13
  14 (define core-size 20)
  15 (define max-steps 10000)
  16
  17
  18 ;;; Instructions
  19 ;;
  20
  21 (define ((make-instr opcode modifier A-mode A-num B-mode B-num name) . args)
  22   (match args
  23     (('copy n) (make-instr opcode modifier A-mode A-num B-mode B-num n))
  24     (('copy-from! other n)
  25      (set! opcode (other 'opcode))
  26      (set! modifier (other 'modifier))
  27      (set! A-mode (other 'A-mode))
  28      (set! A-num (other 'A-num))
  29      (set! B-mode (other 'B-mode))
  30      (set! B-num (other 'B-num))
  31      (set! name n))
  32     (('opcode) opcode)
  33     (('modifier) modifier)
  34     (('A-mode) A-mode)
  35     (('A-num) A-num)
  36     (('B-mode) B-mode)
  37     (('B-num) B-num)
  38     (('name) name)
  39     (('print) (print opcode
  40                      "." modifier
  41                      " " (mode-string A-mode) A-num
  42                      ", " (mode-string B-mode) B-num
  43                      (if (null? name) "" (conc " ; " name))))
  44     (('set-opcode! x n) (set! opcode x) (set! name n))
  45     (('set-modifier! x n) (set! modifier x) (set! name n))
  46     (('set-A-mode! x n) (set! A-mode x) (set! name n))
  47     (('set-A-num! x n) (set! A-num x) (set! name n))
  48     (('set-B-mode! x n) (set! B-mode x) (set! name n))
  49     (('set-B-num! x n) (set! B-num x) (set! name n))))
  50
  51 (define (mode-string mode)
  52    (case mode
  53      ((immediate) "#")
  54      ((direct) "$")
  55      ((indirect-A) "*")
  56      ((indirect-B) "@")
  57      ((pre-indirect-A) "{")
  58      ((pre-indirect-B) "<")
  59      ((post-indirect-A) "}")
  60      ((post-indirect-B) ">")))
  61
  62 (define initial-instruction
  63   (make-instr 'DAT 'F 'immediate 0 'immediate 0 '()))
  64
  65
  66 ;;; Memory setup and addressing
  67 ;;
  68
  69 (define core (make-vector core-size '()))
  70
  71 (define (core-get i)
  72   (vector-ref core i))
  73
  74 (define (core-set! i x)
  75   (vector-set! core i x))
  76
  77 (define (initialize-core)
  78   (let loop ((i 0))
  79     (unless (>= i core-size)
  80       (core-set! i (initial-instruction 'copy '()))
  81       (loop (+ i 1)))))
  82
  83 (define (dump-core)
  84   (let loop ((i 0))
  85     (unless (>= i core-size)
  86       (print* i ":\t")
  87       ((core-get i) 'print)
  88       (loop (+ i 1)))))
  89
  90 (define (addr+ . args)
  91   (foldl (lambda (a b)
  92            (modulo (+ a b core-size) core-size))
  93          0 args))
  94
  95 ;;; Programmes
  96 ;;
  97
  98 (define (make-prog name instrs offset)
  99   (list name instrs offset))
 100
 101 (define (prog-name prog) (list-ref prog 0))
 102 (define (prog-instrs prog) (list-ref prog 1))
 103 (define (prog-offset prog) (list-ref prog 2))
 104
 105 (define (install-prog prog addr)
 106   (let loop ((ptr addr)
 107              (instrs (prog-instrs prog)))
 108     (unless (null? instrs)
 109       (core-set! ptr ((car instrs) 'copy (prog-name prog)))
 110       (loop (addr+ ptr 1) (cdr instrs))))
 111   (make-player (prog-name prog)
 112                (addr+ addr (prog-offset prog))))
 113
 114 (define (can-install-prog? prog-len addr)
 115   (let loop ((ptr addr)
 116              (remaining prog-len))
 117     (if (= remaining 0)
 118         #t
 119         (if (null? ((core-get ptr) 'name))
 120             (loop (addr+ ptr 1)
 121                   (- remaining 1))
 122             #f))))
 123
 124 (define (install-progs progs)
 125   (let loop ((players '())
 126              (progs-left progs))
 127     (if (null? progs-left)
 128         players
 129         (let ((addr (pseudo-random-integer core-size))
 130               (prog (car progs-left)))
 131           (if (can-install-prog? (length (prog-instrs prog)) addr)
 132               (loop (cons (install-prog prog addr) players)
 133                     (cdr progs-left))
 134               (loop players progs-left))))))
 135
 136 (define (make-player name ptr)
 137   (list name ptr))
 138
 139 (define (player-name player) (car player))
 140 (define (player-ptrs player) (cdr player))
 141
 142 (define (player-set-ptrs! player ptrs)
 143   (set-cdr! player ptrs))
 144
 145
 146 ;;; Executive function
 147 ;;
 148
 149 (define (run players steps-left)
 150   (cond
 151    ((<= steps-left 0) players)      ;Tie between remaining players
 152    ;; ((<= (length players) 1) players) ;There's only one player left who thus wins
 153    (else
 154     (let* ((player (car players))
 155            (other-players (cdr players))
 156            (ptrs (player-ptrs player))
 157            (new-ptrs (execute-instr (car ptrs) (player-name player))))
 158       (if (null? new-ptrs)
 159           (run other-players (- steps-left 1))
 160           (begin
 161             (player-set-ptrs! player (append (cdr ptrs) new-ptrs))
 162             (run (append other-players (list player)) (- steps-left 1))))))))
 163
 164 (define (execute-instr ptr name)
 165   (let* ((instr (core-get ptr))
 166          (A-ptr (eval-operand (instr 'A-mode) (instr 'A-num) ptr))
 167          (B-ptr (eval-operand (instr 'B-mode) (instr 'B-num) ptr))
 168          (modifier (instr 'modifier)))
 169     (case (instr 'opcode)
 170       ((DAT)
 171        '()) ;Game over, man, game over!
 172       ((MOV)
 173        (if (eq? modifier 'I)
 174            ((core-get B-ptr) 'copy-from! (core-get A-ptr) name)
 175            (combine A-ptr B-ptr modifier name (lambda (x y) y)))
 176        (list (addr+ ptr 1)))
 177       ((ADD)
 178        (combine-and-store A-ptr B-ptr modifier name addr+)
 179        (list (addr+ ptr 1)))
 180       ((SUB)
 181        (combine-and-store A-ptr B-ptr modifier name
 182                           (lambda (x y) (addr+ x (- y))))
 183        (list (addr+ ptr 1)))
 184       ((MUL)
 185        (combine-and-store A-ptr B-ptr modifier name
 186                           (lambda (x y) (modulo (* (addr+ x core-size)
 187                                                    (addr+ y core-size))
 188                                                 core-size)))
 189        (list (addr+ ptr 1)))
 190       ((DIV)
 191        (condition-case
 192            (begin
 193              (combine-and-store A-ptr B-ptr modifier name
 194                                 (lambda (x y) (quotient (addr x core-size)
 195                                                         (addr y core-size))))
 196              (list (addr+ ptr 1)))
 197          ((exn arithmetic) '())))
 198       ((MOD)
 199        (condition-case
 200            (begin
 201              (combine-and-store A-ptr B-ptr modifier name
 202                                 (lambda (x y) (remainder (addr x core-size)
 203                                                          (addr y core-size))))
 204              (list (addr+ ptr 1)))
 205          ((exn arithmetic) '())))
 206       ((JMP)
 207        (list (addr+ ptr ((core-get A-ptr) 'A-num))))
 208       ((JMZ)
 209        (list (addr+ ptr (if (instr-zero? B-ptr modifier #f)
 210                             ((core-get A-ptr) 'A-num)
 211                             1))))
 212       ((JMN)
 213        (list (addr+ ptr (if (not (instr-zero? B-ptr modifier #f)
 214                                  ((core-get A-ptr) 'A-num)
 215                                  1)))))
 216       ((DJN)
 217        (list (addr+ ptr (if (not (instr-zero? B-ptr modifier #t)
 218                                  ((core-get A-ptr) 'A-num)
 219                                  1)))))
 220       ((SEQ CMP)
 221        (list (addr+ ptr (if (compare-instrs A-ptr B-ptr modifier =) 2 1))))
 222       ((SNE)
 223        (list (addr+ ptr (if (compare-instrs A-ptr B-ptr modifier =) 1 2))))
 224       ((SLT)
 225        (list (addr+ ptr (if (compare-instrs A-ptr B-ptr modifier <) 2 1))))
 226       ((SPL)
 227        (list (addr+ ptr 1) (addr+ ptr ((core-get A-ptr) 'A-num))))
 228       ((NOP)
 229        (list (addr+ ptr 1)))
 230       (else
 231        (error "Unrecognised opcode" (instr 'opcode))))))
 232
 233 (define (compare-instrs A-ptr B-ptr modifier test)
 234   (let ((A-instr (core-get A-ptr))
 235         (B-instr (core-get B-ptr)))
 236     (case modifier
 237       ((A) (test (A-instr 'A-num) (B-instr 'A-num)))
 238       ((B) (test (A-instr 'B-num) (B-instr 'B-num)))
 239       ((AB) (test (A-instr 'A-num) (B-instr 'B-num)))
 240       ((BA) (test (A-instr 'B-num) (B-instr 'A-num)))
 241       ((F) (and
 242             (test (A-instr 'A-num) (B-instr 'A-num))
 243             (test (A-instr 'B-num) (B-instr 'B-num))))
 244       ((X) (and
 245             (test (A-instr 'A-num) (B-instr 'B-num))
 246             (test (A-instr 'B-num) (B-instr 'A-num))))
 247       ((I) (and
 248             (if (eq? test =)
 249                 (and
 250                  (eq? (A-instr 'opcode) (B-instr 'opcode))
 251                  (eq? (A-instr 'modifier) (B-instr 'modifier))
 252                  (eq? (A-instr 'A-mode) (B-instr 'B-mode))
 253                  (eq? (A-instr 'B-mode) (B-instr 'A-mode)))
 254                 #t)
 255             (test (A-instr 'A-num) (B-instr 'B-num))
 256             (test (A-instr 'B-num) (B-instr 'A-num)))))))
 257
 258 (define (instr-zero? ptr modifier decrement)
 259   (let ((instr (core-get ptr)))
 260     (case modifier
 261       ((A AB)
 262        (if decrement (instr 'set-A-num! (addr+ (instr 'A-num) -1)))
 263        (= 0 (instr 'A-num)))
 264       ((A AB)
 265        (if decrement (instr 'set-B-num! (addr+ (instr 'B-num) -1)))
 266        (= 0 (instr 'B-num)))
 267       ((X I F)
 268        (if decrement
 269            (begin
 270              (instr 'set-A-num! (addr+ (instr 'A-num) -1))
 271              (instr 'set-B-num! (addr+ (instr 'B-num) -1))))
 272        (and (= 0 (instr 'A-num))
 273             (= 0 (instr 'B-num)))))))
 274
 275 (define (combine-and-store A-ptr B-ptr modifier name f)
 276   (case modifier
 277     ((A) ((core-get B-ptr) 'set-A-num!
 278           (f ((core-get B-ptr) 'A-num) ((core-get A-ptr) 'A-num)) name))
 279     ((B) ((core-get B-ptr) 'set-B-num!
 280           (f ((core-get B-ptr) 'B-num) ((core-get A-ptr) 'B-num)) name))
 281     ((AB) ((core-get B-ptr) 'set-B-num!
 282            (f ((core-get B-ptr) 'B-num) ((core-get A-ptr) 'A-num)) name))
 283     ((BA) ((core-get B-ptr) 'set-A-num!
 284            (f ((core-get B-ptr) 'A-num) ((core-get A-ptr) 'B-num)) name))
 285     ((F I) ((core-get B-ptr) 'set-A-num!
 286             (f ((core-get B-ptr) 'A-num) ((core-get A-ptr) 'A-num))) name
 287            ((core-get B-ptr) 'set-B-num!
 288             (f ((core-get B-ptr) 'B-num) ((core-get A-ptr) 'B-num)) name))
 289     ((X) ((core-get B-ptr) 'set-A-num!
 290           (f ((core-get B-ptr) 'A-num) ((core-get A-ptr) 'B-num)) name)
 291      ((core-get B-ptr) 'set-B-num!
 292       (f ((core-get B-ptr) 'B-num) ((core-get A-ptr) 'A-num)) name))))
 293
 294 (define (eval-operand mode num ptr)
 295   (addr+ ptr
 296          (case mode
 297            ((immediate) 0)
 298            ((direct) num)
 299            ((indirect-A) (addr+ num ((core-get (addr+ ptr num)) 'A-num)))
 300            ((indirect-B) (addr+ num ((core-get (addr+ ptr num)) 'B-num)))
 301            ((pre-indirect-A)
 302             (let ((aux-instr (core-get (addr+ ptr num))))
 303               ((aux-instr set-A-num! (addr+ -1 (aux-instr 'A-num))))
 304               (addr+ num (aux-instr 'A-num))))
 305            ((pre-indirect-B)
 306             (let ((aux-instr (core-get (addr+ ptr num))))
 307               (aux-instr set-B-num!(addr+ -1 (aux-instr 'B-num)))
 308               (addr+ num (aux-instr 'B-num))))
 309            ((post-indirect-A)
 310             (let* ((aux-instr (core-get (addr+ ptr num)))
 311                    (old-A-num (aux-instr 'A-num)))
 312               (aux-instr set-A-num! (addr+ 1 (aux-instr 'A-num)))
 313               (addr+ num old-A-num)))
 314            ((post-indirect-B)
 315             (let* ((aux-instr (core-get (addr+ ptr num)))
 316                    (old-B-num (aux-instr 'B-num)))
 317               (aux-instr set-B-num! (addr+ 1 (aux-instr 'B-num)))
 318               (addr+ num old-B-num)))
 319            (else
 320             (error "Unrecognized mode" mode)))))
 321
 322 ;;; TEST CODE
 323
 324 (define addressing-test
 325   (make-prog 'at (list
 326                    (make-instr 'DAT 'F 'immediate 42 'immediate 53 'at)
 327                    (make-instr 'DAT 'F 'immediate 123 'immediate 256 'at)
 328                    (make-instr 'MOV 'A 'indirect-B 4 'direct 7 'at)
 329                    (make-instr 'NOP 'I 'immediate 0 'immediate 0 'at)
 330                    (make-instr 'NOP 'I 'immediate 0 'immediate 0 'at)
 331                    (make-instr 'NOP 'I 'immediate 0 'immediate 0 'at)
 332                    (make-instr 'DAT 'F 'immediate -5 'immediate -6 'at)) 2))
 333
 334 (define imp
 335   (make-prog 'imp (list (make-instr 'MOV 'I 'direct 0 'direct 1 'imp)) 0))
 336
 337 (define dwarf
 338   (make-prog 'dwarf (list
 339                      (make-instr 'DAT 'F 'immediate 0 'immediate -1 'dwarf)
 340                      (make-instr 'ADD 'AB 'immediate 5 'direct -1 'dwarf)
 341                      (make-instr 'MOV 'I 'direct -2 'indirect-B -2 'dwarf)
 342                      (make-instr 'JMP 'I 'immediate -2 'immediate 0 'dwarf)) 1))
 343
 344 (initialize-core)
 345 (define players (install-progs (list dwarf imp)))
 346
 347 (dump-core)