MIX

MIX — это гипотетический компьютер, использованный в монографии Дональда Кнута, «Искусство программирования»^[1]. Номер модели компьютера MIX — 1009, происходит от комбинации номеров и названий коммерческих моделей машин, современных времени написания книги и показавшихся автору значимыми. Кроме того, «MIX» равняется 1009 в Римской системе счисления.

MIX 1960-х был заменён новой (также гипотетической) компьютерной архитектурой, MMIX, которая будет включена в ожидаемой редакции книги. Программные реализации MIX- и MMIX-архитектур были разработаны различными авторами и свободно доступны (например, разработанные самим Кнутом MIXware и MMIXware).

Архитектура

MIX представляет собой гибридный двоично-десятичный компьютер. Когда компьютер программируется в бинарном режиме, каждый байт имеет 6 бит (значения от 0 до 63). В десятичном режиме каждый байт имеет 2 десятичных знака (значения от 0 до 99). Байты сгруппированы в слова по пять байт со знаком. Большинство программ, написанных для MIX, будут работать как в бинарном, так и в десятичном режимах, пока они не попытаются сохранить значение больше 63 в одном байте.

Слово изменяется в пределах от −1.073.741.823 до 1.073.741.823 (включительно) в бинарном режиме и от −9.999.999.999 до 9.999.999.999 (включительно) в десятичном режиме. В компьютере MIX различаются числа −0 и +0, чего нет на современных компьютерах, в которых есть только одно представление нуля, но количество отрицательных чисел, которые могут быть представлены определённым числом бит, на единицу больше количества положительных чисел.

Регистры

В компьютере MIX 9 регистров:

• rA: Аккумуляторный регистр (accumulator)(полное слово (full word), пять байт со знаком);
• rX: Расширение (extension) (полное слово, пять байт со знаком);
• rI1, rI2, rI3, rI4, rI5, rI6: Индексные регистры (Два байта и знак);
• rJ: Адрес перехода (два байта, всегда положительный).

Полагается, что байт имеет, как минимум, 6 бит. Большинство инструкций могут указывать, какие из полей (байт) регистра требуется изменить, используя суффикс в форме (первый: последний). Нулевое поле — однобитовый знак.

MIX также записывает, вызвала ли предыдущая операция переполнение и один из трёх индикаторов (меньше, равно или больше). На диаграмме ниже каждый регистр показан разделённым на свои поля.

± A1 A2 A3 A4 A5

± X1 X2 X3 X4 X5

+ J4 J5

OV?

<=>?

± I1.4 I1.5

± I2.4 I2.5

± I3.4 I3.5

± I4.4 I4.5

± I5.4 I5.5

± I6.4 I6.5

Память и ввод-вывод

Компьютер MIX имеет 4000 слов хранения (каждый по 5 байт со знаком), адресуемых с 0 до 3999. Кроме того, есть множество устройств ввода и вывода:

• Магнитофонные устройства (устройства 0 … 7);
• Диск или барабанные устройства (устройства 8 … 15);
• Устройство чтения карт (устройство 16);
• Карточный перфоратор (устройство 17);
• Построчный принтер (устройство 18);
• Пишущая машинка (устройство 19);
• Перфолента (устройство 20).

Инструкции

Каждая машинная инструкция в памяти занимает одно слово и состоит из 4 частей: адрес (2 байта со знаком) в памяти для чтения или записи, указание индексного регистра (1 байт, определяющий, какой индексный регистр rI использовать) для добавления к адресу, модификация (1 байт), определяющая, какие части регистра или ячейки памяти будут прочитаны или изменены, и код операции (1 байт). Все коды операции имеют словесные обозначения.

Программы MIX часто используют самомодифицирующийся код, в частности, чтобы вернуться из подпрограммы, так как в MIX отсутствует автоматический стек подпрограмм.

Программы для компьютера MIX обычно пишутся на языке MIXAL.

Команды загрузки

Содержимое поля по адресу [ ADDR + rIi(содержимое регистра I с индексом i) ] загружается в регистр.

LDA ADDR, i(0 : 5)	rA := memory[ ADDR + rIi ];	загрузить в A
LDX ADDR, i(0 : 5)	rX := memory[ ADDR + rIi ];	загрузить в X
LDi ADDR, i(0 : 5)	rIi := memory[ ADDR + rIi ];	загрузить в I с индексом i
LDAN ADDR, i(0 : 5)	rA := -memory[ ADDR + rIi ];	загрузить в A с обратным знаком
LDXN ADDR, i(0 : 5)	rX := -memory[ ADDR + rIi ];	загрузить в X с обратным знаком
LDiN ADDR, i(0 : 5)	rIi := -memory[ ADDR + rIi ];	загрузить в Ii с обратным знаком

Команды записи в память

Записывает содержимое регистра в ячейку памяти с адресом [ ADDR + rIi ]

STA ADDR, i(0 : 5)	memory[ ADDR + rIi ] := rA;	записать A
STX ADDR, i(0 : 5)	memory[ ADDR + rIi ] := rX;	записать X
STi ADDR, i(0 : 5)	memory[ ADDR + rIi ] := rIi;	записать Ii
STJ ADDR, i(0 : 5)	memory[ ADDR + rIi ] := rJ;	записать J
STZ ADDR, i(0 : 5)	memory[ ADDR + rIi ] := 0;	обнулить содержимое ячейки

Арифметические команды

ADD ADDR, i(0 : 5)	rA := rA + memory[ ADDR + rIi ];	сложение
SUB ADDR, i(0 : 5)	rA := rA - memory[ ADDR + rIi ];	вычитание
MUL ADDR, i(0 : 5)	(rA, rX) := rA * memory[ ADDR + rIi ];	умножение
DIV ADDR, i(0 : 5)	rA := int((rA, rX) / memory[ ADDR + rIi ]); rX := (rA, rX) % memory[ ADDR + rIi ];	деление

Команды операций с адресами

ENTA ADDR, i	rA := ADDR + rIi;
ENTX ADDR, i	rX := ADDR + rIi;
ENT? ADDR, i	rI? := ADDR + rIi;
ENNA ADDR, i	rA := - ADDR - rIi;
ENNX ADDR, i	rX := - ADDR - rIi;
ENN? ADDR, i	rI? := - ADDR - rIi;
INCA ADDR, i	rA := rA + ADDR + rIi;
INCX ADDR, i	rX := rX + ADDR + rIi;
INC? ADDR, i	rI? := ADDR + rIi;
DECA ADDR, i	rA := rA - ADDR - rIi;
DECX ADDR, i	rX := rX - ADDR - rIi;
DEC? ADDR, i	rI? := rI? - ADDR - rIi;

Команды сравнения

CMPA ADDR, i(0 : 5)	compare rA with memory[ ADDR + rIi ];
CMPX ADDR, i(0 : 5)	compare rX with memory[ ADDR + rIi ];
CMP? ADDR, i(0 : 5)	compare rI? with memory[ ADDR + rIi ];

Команды перехода

JMP ADDR, i	goto ADDR + rIi;
JSJ ADDR, i	goto ADDR + rIi; rJ не меняется!
JOV ADDR, i	if (overflow) then    overflow := false; goto ADDR + rIi;
JNOV ADDR, i	if (no overflow) then    goto ADDR + rIi; else overflow := false;
JL, JE, JG ADDR, i JGE, JNE, JLE ADDR, i	if (less, equal, greater) then goto ADDR + rIi; if (no less, unequal, no greater) then goto ADDR + rIi;
JAN/JAZ/JAP ADDR, i JANN/JANZ/JANP ADDR, i	if (rA < 0 or rA == 0 or rA > 0) then goto ADDR + rIi; if (rA >= 0 or rA != 0 or rA <= 0) then goto ADDR + rIi;
JXN/JXZ/JXP ADDR, i JXNN/JXNZ/JXNP ADDR, i	if (rX < 0 or rX == 0 or rX > 0) then goto ADDR + rIi; if (rX >= 0 or rX != 0 or rX <= 0) then goto ADDR + rIi;
J?N/J?Z/J?P ADDR, i J?NN/J?NZ/J?NP ADDR, i	if (rI? < 0 or rI? == 0 or rI? > 0) then goto ADDR + rIi; if (rI? >= 0 or rI? != 0 or rI? <= 0) then goto ADDR + rIi;

Другие команды

MOVE ADDR, i(F)	for(n = 0; n < F; n++, rI1++)     memory[ ADDR + rIi + n ] := memory[ rI1 ];
SLA/SRA ADDR, i SLAX/SRAX ADDR, i SLC/SRC ADDR, i	shift rA to the left/right by ADDR+rIi bytes shift (rA, rX) to the left/right by ADDR+rIi bytes rotate (rA, rX) to the left/right by ADDR+rIi bytes
NOP	do nothing;
HLT	halt execution;

Команды ввода-вывода

IN ADDR, i( F )	read in one block from input unit F into memory[ ADDR + rIi ] onwards;
OUT ADDR, i( F )	output one block to unit F from memory[ ADDR + rIi ] onwards;
IOC ADDR, i( F )	send control instruction to i/o unit F;
JRED ADDR, i( F )	if (i/o unit F is ready) then goto ADDR + rIi;
JBUS ADDR, i( F )	if (i/o unit F is busy) then goto ADDR + rIi;

Команды преобразования

NUM	rA := numerical value of characters in ( rA,rX );
CHAR	( rA, rX ) := character codes representing value of rA;