Jak poprawnie obsługiwać błędy i analizować kod w interpreterze języka programowania?

W procesie interpretacji programu przy pomocy interpretera języka programowania bardzo ważnym elementem jest zarówno prawidłowe obsługiwanie błędów, jak i skuteczne analizowanie kodu. Kiedy tworzymy własny interpreter, naszym zadaniem staje się umożliwienie użytkownikowi jak najprostszej diagnostyki błędów, które mogą wystąpić w trakcie wykonywania programu. Poprawne komunikaty o błędach pozwalają programiście na szybsze i dokładniejsze wykrywanie problemów w jego kodzie. W przypadku interpretera NanoBASIC istnieją dwa główne typy błędów, które mogą wystąpić: błędy parsowania i błędy interpretacyjne.

Błędy parsowania można uznać za błędy składniowe. Występują one wtedy, gdy tokeny programu są w niewłaściwej kolejności. Na przykład, po instrukcji GOTO powinien znajdować się wyrażenie numeryczne reprezentujące numer linii, ale nie jest to wymagane po instrukcji IF. Z kolei błędy interpretacyjne są błędami semantycznymi, które pojawiają się, gdy program próbuje wykonać operację, która jest logicznie niemożliwa do zrealizowania. Przykładem może być próba użycia zmiennej, która nie została wcześniej zainicjowana.

Aby obsługiwać te dwa typy błędów w interpreterze, tworzymy klasy błędów. Główna klasa, NanoBASICError, dziedziczy po standardowej klasie Python Exception, co pozwala na tworzenie własnych wyjątków. Klasa ParserError jest używana do zgłaszania błędów związanych z nieprawidłową składnią, a klasa InterpreterError obsługuje błędy semantyczne, które występują podczas wykonywania programu. Każdy z tych błędów zawiera dokładne informacje o tym, w której linii i kolumnie programu wystąpił problem, co pomaga programiście w szybkim znalezieniu źródła błędu.

Na przykład, jeśli program NanoBASIC zawiera kod:

plaintext
Copy code
10 PRINT(A)

i zmienna A nie została wcześniej zainicjowana, interpreter zgłosi błąd typu InterpreterError z informacją, że zmienna została użyta przed jej inicjalizacją, wskazując jednocześnie dokładne miejsce błędu w programie (linia 1, kolumna 10).

Parser jest kluczowym elementem interpretera, ponieważ odpowiada za analizowanie kodu i przekształcanie go w struktury, które będą mogły zostać wykonane. W kontekście interpretera NanoBASIC, parser przetwarza tokeny uzyskane od tokenizer-a i stara się zamienić je na odpowiednie struktury programistyczne, takie jak wyrażenia i instrukcje. Choć istnieje wiele algorytmów do parsowania kodu, jednym z najprostszych i najbardziej efektywnych jest metoda zwana recursive descent (spadek rekurencyjny), która jest szeroko stosowana w wielu kompilatorach, w tym GCC i Clang. W tej metodzie każdemu elementowi gramatyki przypisuje się funkcję, która sprawdza, czy tokeny pasują do określonej reguły produkcji.

Kluczowym celem parsera jest stworzenie abstrakcyjnego drzewa składniowego (AST, ang. Abstract Syntax Tree), które następnie będzie mogło być wykonane przez interpreter. Drzewo to reprezentuje hierarchiczną strukturę programu, gdzie korzeń stanowi lista instrukcji, a każda instrukcja jest jednym z węzłów w tym drzewie. Ostatecznie celem jest, aby interpreter mógł wykonać każdą z tych instrukcji po kolei, zgodnie z ich kolejnością w kodzie źródłowym. Parser, działając metodą spadku rekurencyjnego, wykonuje analizę linia po linii, rozpoczynając od numeru linii i przechodząc do analizy samej treści instrukcji.

Chociaż proces parsowania kodu może wydawać się złożony, w rzeczywistości jest on kluczowym etapem umożliwiającym interpreterowi prawidłowe działanie. To na etapie parsowania program zostaje przeanalizowany i przekształcony w strukturę, która jest gotowa do dalszego przetwarzania. Ostatecznie jednak to od poprawności tego procesu zależy, czy interpreter będzie w stanie poprawnie interpretować program użytkownika.

Jak działa maszyna wirtualna CHIP-8 i jakie są jej zasady implementacji?

Maszyna wirtualna (VM) lub emulator dodaje kolejną warstwę abstrakcji pomiędzy programem a sprzętem, a każda taka warstwa z reguły wiąże się z pewnym kosztem wydajnościowym. Aby osiągnąć zamierzony poziom szybkości działania oryginalnego systemu, nadmiar operacji musi być ograniczony do minimum, a w przypadku niektórych języków programowania (a raczej ich implementacji) wydajność może być trudniejsza do osiągnięcia. Z tego powodu powszechnie spotyka się maszyny wirtualne i emulatory napisane w językach niskiego poziomu, takich jak C, C++ czy Rust. Niemniej jednak, biorąc pod uwagę jak ograniczony był sprzęt docelowy dla CHIP-8, dziś nie jest trudne stworzenie wydajnej maszyny wirtualnej dla CHIP-8 na współczesnych systemach. Nawet stosunkowo wolne środowisko wykonawcze, jak CPython, jest wystarczające. Programowanie emulatora zaawansowanej konsoli gier w Pythonie czy JVM byłoby jednak niezalecane. CHIP-8? Python jest do tego w zupełności wystarczający.

Aby zrozumieć działanie CHIP-8, warto zacząć od omówienia jego rejestrów i układu pamięci. Następnie przedstawimy ogólny przegląd instrukcji, które VM może wykonywać, by później przejść do szczegółów implementacyjnych.

Rejestry i pamięć

Większość maszyn wirtualnych, w tym CHIP-8, także posiada rejestry, ale te nie zawsze odpowiadają bezpośrednio fizycznym rejestrom procesora. Z tego powodu nie muszą one być szybsze od pamięci RAM. Może to wydawać się dziwne, ale rejestry stanowią podstawową strukturę, na której operują instrukcje. Istnieje także nic nie ograniczająca implementacji maszyny wirtualnej, by mapować wirtualne rejestry na rzeczywiste rejestry sprzętowe w celu uzyskania lepszej wydajności, pod warunkiem że liczba wirtualnych rejestrów nie przekroczy liczby fizycznych.

Maszyna wirtualna CHIP-8 posiada 16 ogólnych rejestrów 8-bitowych, oznaczonych jako v[0] do v[15]. Są one wykorzystywane do przechowywania dowolnych danych, a większość głównych instrukcji arytmetycznych i logicznych działa na tych rejestrach. Z tych rejestrów specjalny jest v[15] (lub v[0xF] w systemie szesnastkowym), który pełni funkcję flagi, przechowując wartość (1 lub 0) po niektórych operacjach, jak np. flaga przeniesienia po dodaniu.

Rejestr i to pamięci (i) jest przeznaczony do manipulacji danymi w kilku lokalizacjach pamięci jednocześnie, a także do wskazywania miejsca, gdzie przechowywane są dane do rysowania na ekranie. Program counter (pc) to specjalny rejestr, który śledzi adres pamięci kolejnej instrukcji do wykonania. Wspomniane rejestry to podstawowe zasoby maszyny wirtualnej, ale uzupełniane są o dwa rejestry pomocnicze do zarządzania czasem. Są to delay_timer i sound_timer, służące do implementacji przerwy w grze lub określania jak długo ma być odtwarzany dźwięk „beep” z głośnika. Te rejestry są dekrementowane 60 razy na sekundę, aż osiągną wartość 0.

Układ pamięci

Standardowa maszyna wirtualna CHIP-8 dysponuje 4KB pamięci RAM. Takie rozwiązanie było zgodne z urządzeniem COSMAC VIP, które po załadowaniu rozszerzeń pamięci miało dostępne 4KB pamięci. Jednak, w przypadku VIP, pierwsze 512 bajtów pamięci musiały zawierać kod samej maszyny wirtualnej CHIP-8 (cała maszyna mieściła się w 512 bajtach kodu maszynowego – warto to wziąć pod uwagę przy implementacji). Pozostawało tylko 3,5KB dostępnej pamięci RAM. Z tego względu nasza współczesna maszyna wirtualna również musi rezerwować pierwsze 512 bajtów pamięci na kod maszyny.

Instrukcje

Maszyna wirtualna CHIP-8 została głównie zaprojektowana do programowania gier, dlatego zawiera specjalistyczne instrukcje do takich działań jak poruszanie sprite'ami czy generowanie dźwięku „beep”. Oprócz tych specyficznych instrukcji, maszyna zawiera również instrukcje podstawowe, które są obecne w każdej maszynie wirtualnej – takie jak manipulacja pamięcią, operacje arytmetyczne, kontrola przepływu, zarządzanie timerami i wyświetlaniem na ekranie. Łącznie mamy do czynienia z 35 instrukcjami, które implementujemy. Wszystkie instrukcje są zapisane w systemie szesnastkowym, co jest standardem w niskopoziomowym programowaniu.

System szesnastkowy (heksadecymalny) jest powszechnie stosowany do pracy z bajtami w systemach komputerowych, takich jak adresy pamięci RAM czy instrukcje CPU. W systemie szesnastkowym, oprócz dziesięciu symboli 0–9, używa się sześciu dodatkowych symboli A–F, które odpowiadają wartościom dziesiętnym 10–15. Wartości zapisane w tym systemie są łatwiejsze do odczytania i bardziej kompaktowe niż zapisy binarne czy dziesiętne. Na przykład liczba 0xFF w systemie szesnastkowym odpowiada liczbie 255 w systemie dziesiętnym, co stanowi maksymalną wartość jednego bajtu.

Większość instrukcji maszyny wirtualnej CHIP-8 jest dość prosta do zaimplementowania, często wystarczy zaledwie kilka linii kodu w Pythonie, by zrealizować całą logikę danej operacji.

Warto jednak pamiętać, że choć maszyna wirtualna CHIP-8 jest stosunkowo prosta, to zrozumienie działania wszystkich jej elementów, szczególnie rejestrów, pamięci i instrukcji, jest kluczowe do efektywnego programowania i implementacji emulatora. Pomimo niewielkich zasobów, jakimi dysponował oryginalny system, sama implementacja w pełni funkcjonalnej maszyny wirtualnej wymaga staranności w odwzorowywaniu tej architektury.

Jak działa grafika w CHIP-8 i jak rysowane są sprite'y

W systemie CHIP-8 instrukcje są podzielone na cztery nibbles (połówki bajtów), z których każda często ma swoje oddzielne znaczenie. W domyślnym przypadku dzielimy każdą instrukcję na cztery składniki, ale w przypadku niektórych instrukcji będziemy musieli używać wartości kilku połączonych nibbles. Właśnie dlatego przydatna staje się funkcja pomocnicza concat_nibbles().

Klasa VM (Virtual Machine) wprowadza konstruktor, który inicjuje wszystkie zmienne stanu, w tym rejestry, pamięć RAM, stos, bufor wyświetlacza (co dziś nazywamy VRAM), timery oraz kilka innych pomocniczych zmiennych. Oto fragment kodu tej klasy:

python
Copy code
class VM:

    def __init__(self, program_data: bytes):
        self.v = array('B', [0] * 16)  # Ogólne rejestry
        self.i = 0  # Rejestr indeksu
        self.pc = 0x200  # Licznik programu
        self.ram = array('B', [0] * RAM_SIZE)  # Pamięć RAM

        self.ram[0:len(FONT_SET)] = array('B', FONT_SET)  # Zestaw czcionek

        self.ram[512:(512 + len(program_data))] = array('B', program_data)  # Program w RAM
        self.stack = []  # Stos
        self.display_buffer = np.zeros((SCREEN_WIDTH, SCREEN_HEIGHT), dtype=np.uint32)  # Bufor wyświetlacza
        self.needs_redraw = False  # Flaga do ponownego rysowania
        self.delay_timer = 0  # Timer opóźnienia
        self.sound_timer = 0  # Timer dźwięku
        self.keys = [False] * 16  # Stan klawiszy

Warto zwrócić uwagę, że większość implementacji VM korzysta z biblioteki standardowej Pythona, z wyjątkiem bufora wyświetlacza, który jest tablicą NumPy. To zapewnia zgodność z biblioteką Pygame, która oczekuje takiej reprezentacji.

Kolejną istotną częścią tej maszyny wirtualnej jest możliwość obniżania wartości timerów oraz odtwarzania dźwięku. W tym celu zostały dodane dwie funkcje pomocnicze:

python
Copy code
def decrement_timers(self):
    if self.delay_timer > 0:
        self.delay_timer -= 1
    if self.sound_timer > 0:
        self.sound_timer -= 1
@property
def play_sound(self) -> bool:
    return self.sound_timer > 0

Grafika w CHIP-8: Układ współrzędnych i rysowanie sprite'ów

Każdy piksel jest reprezentowany w pamięci jako pojedynczy bit. W naszej implementacji, 1 oznacza piksel biały, a 0 piksel czarny. Pamięć graficzna, zwana również buforem wyświetlacza, jest oddzielona od pamięci programu i można ją manipulować tylko za pomocą instrukcji CHIP-8.

Przykład sprite'a o wymiarach 8x3, który przedstawia słowo "HI", wygląda następująco:

Copy code
10100111
11100010
10100111

Każdy wiersz sprite'a, który ma szerokość 8 pikseli, jest reprezentowany przez jeden bajt. Ponieważ sprite "HI" ma wysokość 3 piksele, jest reprezentowany przez 3 bajty. Każdy bit w tych bajtach odpowiada pojedynczemu pikselowi: 1 to piksel biały, a 0 to piksel czarny.

Rysowanie sprite'a: instrukcja Dxyn

Implementacja metody rysującej sprite’a w Pythonie może wyglądać tak:

python
Copy code
def draw_sprite(self, x: int, y: int, height: int):
    flipped_black = False
    for row in range(0, height):
        row_bits = self.ram[self.i + row]

        for col in range(0, SPRITE_WIDTH):

            px = x + col
            py = y + row
            if px >= SCREEN_WIDTH or py >= SCREEN_HEIGHT:
                continue
            new_bit = (row_bits >> (7 - col)) & 1
            old_bit = self.display_buffer[px, py] & 1
            if new_bit & old_bit:
                flipped_black = True
            new_pixel = new_bit ^ old_bit
            self.display_buffer[px, py] = WHITE if new_pixel else BLACK
    self.v[0xF] = 1 if flipped_black else 0

W tej metodzie iterujemy przez wszystkie wiersze i kolumny sprite’a. Wartości z pamięci RAM (gdzie przechowywana jest sama definicja sprite’a) są wyciągane bit po bicie, a następnie wykonywana jest operacja XOR z istniejącymi pikselami na ekranie. Jeśli podczas tego procesu dochodzi do "zderzenia" dwóch białych pikseli, następuje ich zmiana na czarne, a w rejestrze v[0xF] ustawiana jest flaga, sygnalizująca, że miało miejsce takie zdarzenie.

Zrozumienie działania operacji XOR

Rysowanie sprite'a w CHIP-8 wykorzystuje operację XOR, czyli ekskluzywne "lub". Ta operacja zmienia wartość bitu w zależności od porównania dwóch innych bitów:

Oznacza to, że jeżeli oba piksele są takie same (np. oba białe), to zostaną "wyzerowane" (zamienione na czarne). Jeżeli piksele są różne (jeden czarny, drugi biały), operacja XOR zmieni je na odwrotne (czarny stanie się biały lub odwrotnie). Takie podejście pozwala na efektywne rysowanie, a także wykrywanie kolizji (przesunięcie sprite’a w miejsce, gdzie już istnieje coś narysowanego).

Jak działa projektowanie emulatora CPU 6502?

Emulacja procesora 6502, jak в przypadku wielu innych klasycznych procesorów, wymaga ścisłego odwzorowania architektury tego układu, który działał w komputerach i konsolach takich jak NES. Kluczowym elementem w tym procesie jest prawidłowe zarządzanie zestawem instrukcji, które procesor może wykonać. Celem jest stworzenie środowiska, w którym każda z 256 instrukcji będzie odpowiednio odwzorowana, z uwzględnieniem różnorodnych trybów adresowania i cykli zegara.

Instrukcja w kontekście 6502 to podstawowa jednostka operacji, której procesor jest w stanie się nauczyć i wykonać. Instrukcja jest łączona z jednym z 256 możliwych kodów operacyjnych (opcode), które procesor rozumie i realizuje w pamięci. Każda z tych instrukcji ma przypisane różne właściwości, takie jak liczba bajtów, czas trwania operacji w cyklach CPU, a także specjalne przypadki, kiedy przekraczany jest granice stron pamięci. Pojęcie „strony pamięci” jest istotne, ponieważ pamięć RAM w 6502 jest podzielona na strony o wielkości 256 bajtów. Kiedy instrukcja przechodzi przez granice tych stron, czas jej wykonania może się wydłużyć.

Początkowo, aby zrozumieć sposób, w jaki działają instrukcje, warto zwrócić uwagę na sposób, w jaki są one przechowywane i przetwarzane w emulatorze. Dla każdego opcodes w systemie przygotowuje się tablicę składającą się ze wszystkich możliwych instrukcji, a każda z tych instrukcji jest powiązana z odpowiednią funkcją, która ją obsługuje. To podejście pozwala na przechowywanie każdego typu instrukcji w jednym miejscu i uniknięcie stosowania skomplikowanych instrukcji warunkowych. Zamiast tego, aplikacja po prostu przeszukuje tablicę przy użyciu opcodes, aby znaleźć funkcję, która zostanie uruchomiona.

W przypadku emulatora NES, używamy tablicy skoków (jump table), która umożliwia szybkie i efektywne odnalezienie funkcji związanej z każdą instrukcją. Dzięki temu procesor może błyskawicznie przejść do odpowiedniego kodu i wykonać potrzebną operację, co pozwala na emulację działania prawdziwego procesora 6502. Jednak należy pamiętać, że nie wszystkie instrukcje są implementowane w pełni. Niektóre z nich mogą być nieużywane, a inne (często związane z BCD lub nieoficjalnymi kodami) są pomijane.

Wspomniane „strony pamięci” mają wpływ na działanie aplikacji w szczególnych przypadkach. Pamięć w systemie 6502 jest podzielona na strony po 256 bajtów, a niektóre instrukcje mogą rozciągać się na dwie różne strony pamięci. Kiedy tak się dzieje, wykonanie instrukcji może zająć więcej czasu, ponieważ procesor musi przejść przez dodatkową operację „strony”, co wiąże się z dodatkowymi cyklami zegara. Tego typu zależności są szczególnie istotne w kontekście optymalizacji emulatorów, które muszą precyzyjnie odwzorować czas potrzebny na realizację każdej z instrukcji.

Pamięć w procesorze 6502 jest również podzielona na różne strefy, w tym na przestrzeń ROM (Read-Only Memory), która zawiera kod programu, oraz RAM (Random Access Memory), w którym przechowywane są dane w trakcie działania programu. W emulatorach takich jak NES, odpowiedzialność za odwzorowanie tych obszarów pamięci spoczywa na odpowiednich modułach, takich jak PPU (Picture Processing Unit), które odpowiadają za wizualizację grafiki, oraz CPU, który obsługuje logikę gry.

Warto również dodać, że w emulatorach takich systemów jak NES, stan kontrolera (joypad) może być bezpośrednio sprawdzany przez procesor w pamięci. Pamięć zarezerwowana na dane kontrolera jest współdzielona z innymi częściami systemu, co umożliwia ciągłą interakcję z użytkownikiem i reagowanie na jego działania w czasie rzeczywistym.

Istnieją także specjalne rejestry kontrolujące proces resetowania systemu, przerwania i inne specyficzne operacje, takie jak wektory przerwań (RESET_VECTOR, NMI_VECTOR) czy różne adresy przerwań związane z niestandardowymi zdarzeniami. Warto zwrócić uwagę na fakt, że przy implementacji emulatora szczególną uwagę należy zwrócić na prawidłowe odwzorowanie mechanizmów przerwań, które decydują o synchronizacji różnych części systemu.

Wszystkie te elementy tworzą skomplikowany, ale i spójny obraz działania systemu NES, który wymaga od programisty umiejętności zarządzania pamięcią, rozumienia mechanizmów procesora 6502 oraz skutecznego odwzorowania tych elementów w kodzie emulatora. Zrozumienie podstawowych zasad działania tych komponentów jest kluczowe nie tylko dla stworzenia efektywnego emulatora, ale również dla głębszego zrozumienia, jak działają klasyczne systemy komputerowe.