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         wish)
  11
  12 ;;; Constants
  13 ;;
  14
  15 (define core-size 20)
  16 (define max-steps 10000)
  17
  18
  19 ;;; Instructions
  20 ;;
  21
  22 (define (make-instr opcode modifier A-mode A-num B-mode B-num name)
  23   (list opcode modifier A-mod A-num B-mode B-num name))
  24
  25 (define (instr-opcode instr) (list-ref instr 0))
  26 (define (instr-modifier instr) (list-ref instr 1))
  27 (define (instr-A-mode instr) (list-ref instr 2))
  28 (define (instr-A-num instr) (list-ref instr 3))
  29 (define (instr-B-mode instr) (list-ref instr 4))
  30 (define (instr-B-num instr) (list-ref instr 5))
  31 (define (instr-name instr) (list-ref instr 6))
  32
  33 (define (mode->string mode)
  34   (case mode
  35     ((immediate) "#")
  36     ((direct) "$")
  37     ((indirect-A) "*")
  38     ((indirect-B) "@")
  39     ((pre-indirect-A) "{")
  40     ((pre-indirect-B) "<")
  41     ((post-indirect-A) "}")
  42     ((post-indirect-B) ">")
  43     (else
  44      (error "Unknown mode."))))
  45
  46 (define (instr->string opcode modifier A-mode A-num B-mode B-num name)
  47   (conc opcode
  48         "." modifier
  49         " " (mode->string A-mode) A-num
  50         " " (mode->string B-mode) B-num
  51         " ;" name))
  52
  53 (define initial-instruction
  54   (make-instr 'DAT 'F 'immediate 0 'immediate 0 '()))
  55
  56
  57 ;;; Memory setup and addressing
  58 ;;
  59
  60 (define (make-core core-size opcode modifier A-mode A-num B-mode B-num)
  61   (let ((opcodes (make-vector core-size opcode))
  62         (modifiers (make-vector core-size modifier))
  63         (A-modes (make-vector core-size A-mode))
  64         (A-nums (make-vector core-size A-num))
  65         (B-modes (make-vector core-size B-mode))
  66         (B-nums (make-vector core-size B-num))
  67         (names (make-vector core-size '())))
  68     (lambda args
  69       (match args
  70         ((i 'copy-to j n)
  71          (vector-set! opcodes j (vector-ref opcodes i))
  72          (vector-set! modifiers j (vector-ref modifiers i))
  73          (vector-set! A-modes j (vector-ref A-modes i))
  74          (vector-set! A-nums j (vector-ref A-nums i))
  75          (vector-set! B-modes j (vector-ref B-modes i))
  76          (vector-set! B-nums j (vector-ref B-nums i))
  77          (vector-set! names j n))
  78         ((i 'copy-from-instr! instr)
  79          (vector-set! opcodes i (instr-opcode instr))
  80          (vector-set! modifiers i (instr-modifier instr))
  81          (vector-set! A-mode i (instr-A-mode instr))
  82          (vector-set! A-num i (instr-A-num instr))
  83          (vector-set! B-mode i (instr-B-mode instr))
  84          (vector-set! B-num i (instr-B-num instr))
  85          (vector-set! names i (instr-name instr)))
  86         ((i 'opcode) (vector-ref opcodes i))
  87         ((i 'modifier) (vector-ref modifiers i))
  88         ((i 'A-mode) (vector-ref A-modes i))
  89         ((i 'A-num) (vector-ref A-nums i))
  90         ((i 'B-mode) (vector-ref B-modes i))
  91         ((i 'B-num) (vector-ref B-nums i))
  92         ((i 'name) (vector-ref names i))
  93         ((i 'set-opcode! x n) (vector-set! opcodes i x) (vector-set! names i n))
  94         ((i 'set-modifier! x n) (vector-set! modifiers i x) (vector-set! names i n))
  95         ((i 'set-A-mode! x n) (vector-set! A-modes i x) (vector-set! names i n))
  96         ((i 'set-A-num! x n) (vector-set! A-nums i x) (vector-set! names i n))
  97         ((i 'set-B-mode! x n) (vector-set! B-modes i x) (vector-set! names i n))
  98         ((i 'set-B-num! x n) (vector-set! B-nums i x) (vector-set! names i n))
  99         (('dump)
 100          (let loop ((i 0))
 101            (unless (>= i core-size))
 102            (print* i ":\t")
 103            (instr->string (vector-ref opcodes i)
 104                           (vector-ref modifiers i)
 105                           (vector-ref A-modes i)
 106                           (vector-ref A-nums i)
 107                           (vector-ref B-modes i)
 108                           (vector-ref B-nums i)
 109                           (vector-ref names i))))))))
 110
 111 (define (addr+ . args)
 112   (foldl (lambda (a b)
 113            (modulo (+ a b core-size) core-size))
 114          0 args))
 115
 116 ;;; Programmes
 117 ;;
 118
 119 (define (make-prog name instrs offset)
 120   (list name instrs offset))
 121
 122 (define (prog-name prog) (list-ref prog 0))
 123 (define (prog-instrs prog) (list-ref prog 1))
 124 (define (prog-offset prog) (list-ref prog 2))
 125
 126 (define (install-prog core prog addr)
 127   (let loop ((ptr addr)
 128              (instrs (prog-instrs prog)))
 129     (unless (null? instrs)
 130       (core ptr 'copy-from-instr! (car instrs))
 131       (loop (addr+ ptr 1) (cdr instrs))))
 132   (make-player (prog-name prog)
 133                (addr+ addr (prog-offset prog))))
 134
 135 (define (can-install-prog? core prog-len addr)
 136   (let loop ((ptr addr)
 137              (remaining prog-len))
 138     (if (= remaining 0)
 139         #t
 140         (if (null? (core ptr 'name))
 141             (loop (addr+ ptr 1)
 142                   (- remaining 1))
 143             #f))))
 144
 145 (define (install-progs core progs)
 146   (let loop ((players '())
 147              (progs-left progs))
 148     (if (null? progs-left)
 149         players
 150         (let ((addr (pseudo-random-integer core-size))
 151               (prog (car progs-left)))
 152           (if (can-install-prog? core (length (prog-instrs prog)) addr)
 153               (loop (cons (install-prog core prog addr) players)
 154                     (cdr progs-left))
 155               (loop players progs-left))))))
 156
 157 (define (make-player name ptr)
 158   (list name ptr))
 159
 160 (define (player-name player) (car player))
 161 (define (player-ptrs player) (cdr player))
 162
 163 (define (player-set-ptrs! player ptrs)
 164   (set-cdr! player ptrs))
 165
 166
 167 ;;; Executive function
 168 ;;
 169
 170 (define (run players steps-left)
 171   (cond
 172    ((<= steps-left 0) players)      ;Tie between remaining players
 173    ;; ((<= (length players) 1) players) ;There's only one player left who thus wins
 174    (else
 175     (let* ((player (car players))
 176            (other-players (cdr players))
 177            (ptrs (player-ptrs player))
 178            (new-ptrs (execute-instr (car ptrs) (player-name player))))
 179       (if (null? new-ptrs)
 180           (run other-players (- steps-left 1))
 181           (begin
 182             (player-set-ptrs! player (append (cdr ptrs) new-ptrs))
 183             (run (append other-players (list player)) (- steps-left 1))))))))
 184
 185 (define (execute-instr ptr name)
 186   (let* ((instr (core-get ptr))
 187          (A-ptr (eval-operand (instr 'A-mode) (instr 'A-num) ptr))
 188          (B-ptr (eval-operand (instr 'B-mode) (instr 'B-num) ptr))
 189          (modifier (instr 'modifier)))
 190     (case (instr 'opcode)
 191       ((DAT)
 192        '()) ;Game over, man, game over!
 193       ((MOV)
 194        (if (eq? modifier 'I)
 195            ((core-get B-ptr) 'copy-from! (core-get A-ptr) name)
 196            (combine A-ptr B-ptr modifier name (lambda (x y) y)))
 197        (list (addr+ ptr 1)))
 198       ((ADD)
 199        (combine-and-store A-ptr B-ptr modifier name addr+)
 200        (list (addr+ ptr 1)))
 201       ((SUB)
 202        (combine-and-store A-ptr B-ptr modifier name
 203                           (lambda (x y) (addr+ x (- y))))
 204        (list (addr+ ptr 1)))
 205       ((MUL)
 206        (combine-and-store A-ptr B-ptr modifier name
 207                           (lambda (x y) (modulo (* (addr+ x core-size)
 208                                                    (addr+ y core-size))
 209                                                 core-size)))
 210        (list (addr+ ptr 1)))
 211       ((DIV)
 212        (condition-case
 213            (begin
 214              (combine-and-store A-ptr B-ptr modifier name
 215                                 (lambda (x y) (quotient (addr x core-size)
 216                                                         (addr y core-size))))
 217              (list (addr+ ptr 1)))
 218          ((exn arithmetic) '())))
 219       ((MOD)
 220        (condition-case
 221            (begin
 222              (combine-and-store A-ptr B-ptr modifier name
 223                                 (lambda (x y) (remainder (addr x core-size)
 224                                                          (addr y core-size))))
 225              (list (addr+ ptr 1)))
 226          ((exn arithmetic) '())))
 227       ((JMP)
 228        (list (addr+ ptr ((core-get A-ptr) 'A-num))))
 229       ((JMZ)
 230        (list (addr+ ptr (if (instr-zero? B-ptr modifier #f)
 231                             ((core-get A-ptr) 'A-num)
 232                             1))))
 233       ((JMN)
 234        (list (addr+ ptr (if (not (instr-zero? B-ptr modifier #f))
 235                             ((core-get A-ptr) 'A-num)
 236                             1))))
 237       ((DJN)
 238        (list (addr+ ptr (if (not (instr-zero? B-ptr modifier #t))
 239                             ((core-get A-ptr) 'A-num)
 240                             1))))
 241       ((SEQ CMP)
 242        (list (addr+ ptr (if (compare-instrs A-ptr B-ptr modifier =) 2 1))))
 243       ((SNE)
 244        (list (addr+ ptr (if (compare-instrs A-ptr B-ptr modifier =) 1 2))))
 245       ((SLT)
 246        (list (addr+ ptr (if (compare-instrs A-ptr B-ptr modifier <) 2 1))))
 247       ((SPL)
 248        (list (addr+ ptr 1) (addr+ ptr ((core-get A-ptr) 'A-num))))
 249       ((NOP)
 250        (list (addr+ ptr 1)))
 251       (else
 252        (error "Unrecognised opcode" (instr 'opcode))))))
 253
 254 (define (compare-instrs A-ptr B-ptr modifier test)
 255   (let ((A-instr (core-get A-ptr))
 256         (B-instr (core-get B-ptr)))
 257     (case modifier
 258       ((A) (test (A-instr 'A-num) (B-instr 'A-num)))
 259       ((B) (test (A-instr 'B-num) (B-instr 'B-num)))
 260       ((AB) (test (A-instr 'A-num) (B-instr 'B-num)))
 261       ((BA) (test (A-instr 'B-num) (B-instr 'A-num)))
 262       ((F) (and
 263             (test (A-instr 'A-num) (B-instr 'A-num))
 264             (test (A-instr 'B-num) (B-instr 'B-num))))
 265       ((X) (and
 266             (test (A-instr 'A-num) (B-instr 'B-num))
 267             (test (A-instr 'B-num) (B-instr 'A-num))))
 268       ((I) (and
 269             (if (eq? test =)
 270                 (and
 271                  (eq? (A-instr 'opcode) (B-instr 'opcode))
 272                  (eq? (A-instr 'modifier) (B-instr 'modifier))
 273                  (eq? (A-instr 'A-mode) (B-instr 'B-mode))
 274                  (eq? (A-instr 'B-mode) (B-instr 'A-mode)))
 275                 #t)
 276             (test (A-instr 'A-num) (B-instr 'B-num))
 277             (test (A-instr 'B-num) (B-instr 'A-num)))))))
 278
 279 (define (instr-zero? ptr modifier decrement)
 280   (let ((instr (core-get ptr)))
 281     (case modifier
 282       ((A AB)
 283        (if decrement (instr 'set-A-num! (addr+ (instr 'A-num) -1)))
 284        (= 0 (instr 'A-num)))
 285       ((A AB)
 286        (if decrement (instr 'set-B-num! (addr+ (instr 'B-num) -1)))
 287        (= 0 (instr 'B-num)))
 288       ((X I F)
 289        (if decrement
 290            (begin
 291              (instr 'set-A-num! (addr+ (instr 'A-num) -1))
 292              (instr 'set-B-num! (addr+ (instr 'B-num) -1))))
 293        (and (= 0 (instr 'A-num))
 294             (= 0 (instr 'B-num)))))))
 295
 296 (define (combine-and-store A-ptr B-ptr modifier name f)
 297   (case modifier
 298     ((A) ((core-get B-ptr) 'set-A-num!
 299           (f ((core-get B-ptr) 'A-num) ((core-get A-ptr) 'A-num)) name))
 300     ((B) ((core-get B-ptr) 'set-B-num!
 301           (f ((core-get B-ptr) 'B-num) ((core-get A-ptr) 'B-num)) name))
 302     ((AB) ((core-get B-ptr) 'set-B-num!
 303            (f ((core-get B-ptr) 'B-num) ((core-get A-ptr) 'A-num)) name))
 304     ((BA) ((core-get B-ptr) 'set-A-num!
 305            (f ((core-get B-ptr) 'A-num) ((core-get A-ptr) 'B-num)) name))
 306     ((F I) ((core-get B-ptr) 'set-A-num!
 307             (f ((core-get B-ptr) 'A-num) ((core-get A-ptr) 'A-num))) name
 308            ((core-get B-ptr) 'set-B-num!
 309             (f ((core-get B-ptr) 'B-num) ((core-get A-ptr) 'B-num)) name))
 310     ((X) ((core-get B-ptr) 'set-A-num!
 311           (f ((core-get B-ptr) 'A-num) ((core-get A-ptr) 'B-num)) name)
 312      ((core-get B-ptr) 'set-B-num!
 313       (f ((core-get B-ptr) 'B-num) ((core-get A-ptr) 'A-num)) name))))
 314
 315 (define (eval-operand mode num ptr)
 316   (addr+ ptr
 317          (case mode
 318            ((immediate) 0)
 319            ((direct) num)
 320            ((indirect-A) (addr+ num ((core-get (addr+ ptr num)) 'A-num)))
 321            ((indirect-B) (addr+ num ((core-get (addr+ ptr num)) 'B-num)))
 322            ((pre-indirect-A)
 323             (let ((aux-instr (core-get (addr+ ptr num))))
 324               ((aux-instr set-A-num! (addr+ -1 (aux-instr 'A-num))))
 325               (addr+ num (aux-instr 'A-num))))
 326            ((pre-indirect-B)
 327             (let ((aux-instr (core-get (addr+ ptr num))))
 328               (aux-instr set-B-num!(addr+ -1 (aux-instr 'B-num)))
 329               (addr+ num (aux-instr 'B-num))))
 330            ((post-indirect-A)
 331             (let* ((aux-instr (core-get (addr+ ptr num)))
 332                    (old-A-num (aux-instr 'A-num)))
 333               (aux-instr set-A-num! (addr+ 1 (aux-instr 'A-num)))
 334               (addr+ num old-A-num)))
 335            ((post-indirect-B)
 336             (let* ((aux-instr (core-get (addr+ ptr num)))
 337                    (old-B-num (aux-instr 'B-num)))
 338               (aux-instr set-B-num! (addr+ 1 (aux-instr 'B-num)))
 339               (addr+ num old-B-num)))
 340            (else
 341             (error "Unrecognized mode" mode)))))
 342
 343 ;;; TEST CODE
 344
 345 (define addressing-test
 346   (make-prog 'at (list
 347                    (make-instr 'DAT 'F 'immediate 42 'immediate 53 'at)
 348                    (make-instr 'DAT 'F 'immediate 123 'immediate 256 'at)
 349                    (make-instr 'MOV 'A 'indirect-B 4 'direct 7 'at)
 350                    (make-instr 'NOP 'I 'immediate 0 'immediate 0 'at)
 351                    (make-instr 'NOP 'I 'immediate 0 'immediate 0 'at)
 352                    (make-instr 'NOP 'I 'immediate 0 'immediate 0 'at)
 353                    (make-instr 'DAT 'F 'immediate -5 'immediate -6 'at)) 2))
 354
 355 (define imp
 356   (make-prog 'imp (list (make-instr 'MOV 'I 'direct 0 'direct 1 'imp)) 0))
 357
 358 (define dwarf
 359   (make-prog 'dwarf (list
 360                      (make-instr 'DAT 'F 'immediate 0 'immediate -1 'dwarf)
 361                      (make-instr 'ADD 'AB 'immediate 5 'direct -1 'dwarf)
 362                      (make-instr 'MOV 'I 'direct -2 'indirect-B -2 'dwarf)
 363                      (make-instr 'JMP 'I 'immediate -2 'immediate 0 'dwarf)) 1))
 364
 365 (initialize-core)
 366 (define players (install-progs (list dwarf imp)))
 367
 368 (dump-core)