行の構造とＬＩＳＴコマンド

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　シリアル端末から入力されたＢＡＳＩＣプログラムはメモリに蓄えられます。それがどんな形式で、どう表示されるのかを今回は見ていきましょう。
今回は入力されたプログラムをメモリに格納する処理（ラベル名でいうとENTPRG）の解説はしません。そのおおざっぱな働きのみ述べて、それがＬＩＳＴコマンドで出力されるところについて詳しく解説します。先に行の構造を知っておいてからENTPRGを見たほうが理解しやすいと思います。

　１行の構造は次のようになっています。

内容

サイズ

例

例の１６進表示

行番号

４バイト

 
10
 
00 00 00 0A

長さ

１バイト

 
15
 
0F

文字列

可変長

 
PRINT "ABC"
 
50 52 49 4E 54 20 22 41 42 43 22

行末の'\0'

１バイト

 
'\0'
 
00

境界合わせの詰め物

可変長

 
'\0' '\0' '\0'
 
00 00 00


　１行が入力されると、まず行番号は４バイトの符号無しバイナリ値に変換されます。アスキーコードのままだと行番号の検索が大変だからです。さて、皆さんご存知のとおり、ＳＨは４バイト数値は必ず４バイト境界に置かれなければいけません。したがってＣＣＭＢでも行の先頭は必ず４バイト境界に置かれます。
　次に余分な空白を取り除きます。行番号の直後に空白があれば１個だけ取り除かれます、また行末の空白はすべて削除されます。
　そして、行末には最低限１個の値がH'00のバイトが追加されます。その結果次の行の先頭番地が４バイト境界に合わないようなら合うまで値がH'00のバイトが追加されます。

　行の長さバイト（行の先頭から４バイト目）の値は文字列の長さではなく、「長さバイトを取り込んだあとその値を加算すると次の行の先頭アドレスになる」ように計算された値です。つまり、
	MOV.L	@R3+,R2	; 行番号取り込み
	MOV.B	@R3+,R0	; 長さバイト取り込み
	EXTU.B	R0,R0	; 符号無し化
	ADD	R0,R3	; この結果、R3は次の行の先頭を指す
; （このコード例はパイプラインストールをまったく考慮していません）

とすれば簡単に次の行の先頭番地を求めることができます。ＬＩＳＴコマンドなどの実行時には値がH'00のバイトが見つかるまで出力すればよいのですから文字列の厳密な長さは必要ありません。

　実際にメモリ上にプログラムが格納されている様子を見てみましょう。ＣＭＢならＤＵＭＰ文一発なのですがＣＣＭＢにはＤＵＭＰ文がないので同等のプログラムを組んで自分自身をダンプすることにします。
 10 FOR I=0 TO 25
 20   FOR J=0 TO 15 
 30     D=PEEK(I*16+J-12288)
 40     H=(D/16) AND 15:L=D AND 15
 50     IF(H>9) H=H+7
 60     IF(L>9) L=L+7
 70     PRINT CHR(H+48),CHR(L+48)," ",
 80   NEXT
 90   PRINT " ",
100   FOR J=0 TO 15 
110     D=PEEK(I*16+J-12288)
120     IF((D<32) OR (D>126)) D=46
130     PRINT CHR(D),
140   NEXT
150   PRINT
160 NEXT
170 END

　プログラム中の-12288とは１６進でH'FFFFD000で、ＳＨ７０４６内蔵ＲＡＭの先頭番地です。ＢＡＳＩＣプログラムは内蔵ＲＡＭの先頭から格納されます。では実行してみましょう。以下の実行結果は、わかりやすくするために行番号は青、長さバイトは赤、行末の'\0'と詰め物は緑に着色しました。最後の方の灰色に着色された部分はＢＡＳＩＣプログラムではなく、そのときたまたまメモリ上にあった値です。
RUN
00 00 00 0A 0F 46 4F 52 20 49 3D 30 20 54 4F 20  .....FOR I=0 TO
32 35 00 00 00 00 00 14 13 20 20 46 4F 52 20 4A  25.......  FOR J
3D 30 20 54 4F 20 31 35 00 00 00 00 00 00 00 1E  =0 TO 15........
1B 20 20 20 20 44 3D 50 45 45 4B 28 49 2A 31 36  .    D=PEEK(I*16
2B 4A 2D 31 32 32 38 38 29 00 00 00 00 00 00 28  +J-12288)......(
	　：
	（中略）
	　：
52 49 4E 54 00 00 00 00 00 00 00 A0 07 4E 45 58  RINT.........NEX
54 00 00 00 00 00 00 AA 07 45 4E 44 00 00 00 00  T........END....
00 00 00 00 03 00 00 00 01 00 03 0A 5E 9E 57 FF  ............^.W.
OK

　まず先頭に 00 00 00 0A とあり、これが最初の行番号１０を表しています。次に 0F とあります。その 0F から H'0F、すなわち１５バイト進むと00 00 00 14 とあり、行番号２０、つまり次の行の先頭番地であることがわかります。
　話は最初の行に戻りますが、ここからは行番号１０の内容が、先頭の１個の空白を取り除かれてそのまま格納されています。末尾には 00 が、４バイト境界が合うまで追加されています。
　そして、行番号１７０番の最後の行の直後には 00 00 00 00 03 00 00 00 という「見えない行」が付加されています。行番号は０で、次の行へのオフセット３ですがその３バイトはすべて 00 で、実質有効な文字列がありません。
　行番号０の行は、シリアル端末からの入力では入れられません。インタプリタが自動的にプログラムの最後に付加します。何のためかというと、ＲＵＮやＬＩＳＴを実行するとき、プログラムの終わりを判断するためです。インタプリタは行番号が０であるような行を見つけるとそこがプログラムの終わりだと判断します。

　プログラムの最後を判断するには、このような「見えない行」を置くやり方の他にプログラムの最後の番地を保持するポインタを設ける方法もありますが、いちいちポインタの比較をやっていると速度が落ちます（ＳＨクラスだとほとんど気にならない程度でしょうが、８ビットマイコンなどではかなりの痛手です。ＣＭＢは最初はＺ８０用に作られました）。次の行の先頭を読んで、行番号が０なら終わり、と判断するほうが簡単です。

　ではこれから、ＬＩＳＴコマンドの中身を見ていきましょう。
XLIST:	BSR	SKIPSP	; ＬＩＳＴの後の空白をスキップ
	MOV	EXEP,R3	; 実行ポインタをＲ３にコピー（遅延スロット）

	MOV	R3,EXEP	; 空白スキップ後のＲ３を実行ポインタに書き戻す
	BSR	GETRNG	; 行範囲獲得ルーチン
	NOP		; しまった！　今気づいたけど、MOV R3,EXEPをここに入れればよかった・・・
	; 言い訳がましいようですが、ＣＭＢではここは NOP を入れざるをえないプログラム構造になっていました

	MOV.L	@(LRANGT-WRKTOP,GBR),R0	; 獲得した行範囲の最初の行番号
	BSR	SCNHSL			; Ｒ２と等しいか大きい行番号を探す、結果の番地はＲ３に
	MOV	R0,R2			; 最初の行番号をＲ２にセット（遅延スロット）

　この部分については、SKIPSP や SCNHSL という重要なルーチンの説明がまだなので詳しい説明は省きますが、ようするにＬＩＳＴコマンドのパラメータとして行範囲をコマンドラインから獲得するということをやっています。その結果としてＲ３には最初にＬＩＳＴ表示すべき行の開始番地が入っています。

LISTLP: MOV.L	@R3,R2			; 行番号を獲得
	MOV.L	R3,@-R15		; 行先頭番地を保存
	MOV.L	@(LRANGE-WRKTOP,GBR),R0	; 行範囲の最後の行番号を獲得
	TST	R2,R2			; 今見ている行の行番号は０か？
	BT	LISTE			; ０ならプログラムの最後なので終了
	CMP/HI	R0,R2			; 行番号が行範囲の最後の行番号より大きいか？
	BT	LISTE 			; 大きければその行は表示せずに終了

　ここはループの先頭です。ここで繰り返し処理を続けるかどうか判断しています。ＬＩＳＴコマンドは、指定範囲内に行が無かった場合などはまったく処理をしないこともあるので、どうしても前判断ＷＨＩＬＥループになります。

　まず、Ｒ３は行の先頭の行番号を指しているはずですからそれをＲ２にロードします。そしていったんＲ３をスタックに保存します。
　次に、行範囲の最後の行番号をＲ０にロードします。そして TST でＲ２（今見ている行の行番号）が０かどうか調べ、０なら LISTE（ＬＩＳＴコマンド正常終了）に分岐します。
　さらにＲ０と比較し、指定の行範囲よりも大きな行番号だった場合も LISTE に分岐します。

　ここで、Ｒ２に行番号をロードしてからそれが０かどうか調べるまで結構間が開いていることに気づいた人もいると思います。なぜロードしてすぐ調べないのか？　それはパイプラインストールを防ぐためです。ＳＨはパイプライン動作をしているので、メモリからの読みこみ命令が実行されてもそれが実際にレジスタにロードされ使用可能になるのは３クロック後です。もしその値を使うような命令を直後に書くと、ロードが完了するまでＣＰＵは待たされ、せっかくのパイプラインの速度を殺してしまいます。これが「パイプラインストール」です。
　パイプラインストールを防ぐには、値をロードする命令とそれを使う命令の間に他の処理を入れます。「いかにパイプラインを止めないコードを書くか」がＳＨプログラミングの醍醐味です。

　パイプラインとは別の話ですが、「いかに遅延スロットに有効な命令を入れるか」もまたＳＨプログラミングの醍醐味です。ＳＨのアセンブラプログラムをイヤがる人が多いのはパイプラインやら遅延スロットやらが煩わしいからだと思いますが、趣味でやるぶんにはパズルを解くような楽しさがあり、やめられません。さんざん悩んだ末ツボにはまったコードを書けたときの爽快感は格別です。
　初心者の人は、いきなりあまり難しく考えると手が止まってしまいますので、とりあえずパイプラインは考えずＨ８のようにコードを書き、また遅延スロットにはとりあえず NOP を入れて、あとで順番を入れ換えるようにすると良いようです。



	BSR	LSTLIN		; １行表示
	NOP

	BSR	CHKBRK		; CTRL-Cチェック
	NOP

	MOV.L	@R15+,R3	; 保存したＲ３を復元
	MOV.B	@(4,R3),R0	; 次の行までのオフセット
	ADD	#5,R3		; 行番号と長さをスキップ
	EXTU.B	R0,R0	 	; 符号無し化

	BRA	LISTLP		; ループ先頭に戻る
	ADD	R0,R3		; 次の行の先頭を計算（遅延スロット）

　これがループ処理本体です。LSTLIN はＲ３が指す１行を表示するルーチンです。１行表示処理はＬＩＳＴコマンドだけでなくエラー発生時にも使うのでＬＩＳＴコマンドのループの中には入れずサブルーチンとしています。CHKBRK は、CTRL-C キーが押されたかどうかを調べるルーチンで、押されていなければ何事も無かったかのように戻ってきます。押されていた場合は呼び出し元には戻ってきません。

　そして先ほど保存したＲ３を復元します。Ｒ３を保存したのは LSTLIN がＲ３を壊すからです。
　次の　MOV.B @(4,R3),R0 で長さを獲得します。（非常に悔しいのですが、ここ、パイプラインストールしてます）
　そのあと次の行の先頭番地をＲ３に求めてループ先頭に戻ります。

LISTE:	BRA	TOPPRM
	NOP

　ＬＩＳＴコマンドの正常終了処理です。ただトップレベルプロンプトに飛んでいるだけです。
　ちょっとＳＨのプログラムをかじった人なら、「 LSTLIN や CHKBRK を呼ぶ前になぜＰＲを保存しないの？」と疑問を感じたかもしれません。それは、ＬＩＳＴは文ではなくコマンドだからです。文ならその次の文を実行するために呼び出し元に戻る必要がありますが、コマンドなら実行後はトップレベルプロンプトにジャンプしてしまうので戻り番地を覚えておく必要は無いのです。覚えていたところでトップレベルではＲ１５のハードスタックもＲ１４のソフトスタックも初期化されてしまいます。

　こんどは LSTLIN の中身を見てみましょう。
LSTLIN:	STS.L	PR,@-R15	; ＰＲを保存

	BSR	UDOTR		; Ｒ２の値を十進符号無し右詰め表示
	MOV.L	@R3+,R2		; Ｒ２に行番号獲得（遅延スロット）

	BSR	SPACE		; 空白１文字表示
	ADD	#1,R3		; 長さバイトをスキップ（遅延スロット）

	BSR	PUTSTR		; Ｒ２が指す文字列表示
	MOV	R3,R2		; 行の文字列部分の先頭→Ｒ２（遅延スロット）

	BRA	CRLF		; 改行
	LDS.L	@R15+,PR	; ＰＲを復帰（遅延スロット）

　これは呼び出し元に戻らなければいけないのでＰＲを保存します。その後Ｒ３は行番号部分を指しているはずなので行番号を獲得します。ＬＩＳＴコマンドから呼ばれた場合はすでにＲ２には行番号が入っているのですが、エラー表示のときにはこれは必要です。そして UDOTR でその値を表示します。
　長さバイトは表示する必要無いのでスキップし、１個空白を出力します。これで入力時に行番号と文字列の間に空白を入れていなくてもＬＩＳＴ表示時には空白が少なくとも１つは表示されます。

　Ｒ３は文字列の先頭番地を指していますが文字列表示ルーチン PUTSTR はＲ２をパラメータとするのでＲ２にコピーしてから PUTSTR を呼び出します。PUTSTR はＣ言語でいうところの puts() で、値が H'00 のバイトが見つかるまで文字列を表示します。そのあとの CRLF は改行ルーチンです。 SPACE、CRLF、UDOTR、PUTSTR などの表示ルーチン群は別の回にまとめて説明しようと思います。

　LSTLIN はサブルーチンなのですが普通に RTS で終わっていません。ここはちょっと説明が必要ですね。
　まず、なんでCRLF の呼び出しが BSR でなく BRA か、ですが、これは「テールリカーシブの除去」としてよく行われる最適化です。サブルーチンの最後の、RTS 直前の命令が BSR または JSR の場合それを BRA もしくは JMP に換えてしまうことにより RTS を省略でき、さらに無駄なスタックアクセスも減ってスピードも上がります。
　話を簡単にするために、最初はＳＨではなくＨ８のような遅延スロットのないＣＰＵで説明します。次のようなコードがあったとします。メインルーチン（以下メイン）からサブルーチンＡ（以下Ａ）を呼び出し、Ａの最後でサブルーチンＢ（以下Ｂ）を呼び出し、Ｂの処理が終了するとＡの最後に戻り、そこの RTS でメイン戻るというコードです。（コード例Ｈ８＿１）
; メインルーチン
MAIN0:	BSR	SUB_A		; Ａを呼び出す
MAIN1:	（なんたら）		; メイン処理の続き

 ：

; サブルーチンＡ
SUB_A:	（かんたら）		; Ａ本来の処理
	BSR	SUB_B		; Ｂを呼び出す
SUB_A1:	RTS

 ：

; サブルーチンＢ
SUB_B:	（うんたら）		; Ｂ本来の処理
	RTS

このコードだとＢの頭に飛んできた時点でスタックにはＡの最後に戻るための値 SUB_A1 と、メインに戻るための値 MAIN1 が積まれているはずです。これを次のように直したらどうでしょうか。（コード例Ｈ８＿２）
; メインルーチン
MAIN0:	BSR	SUB_A		; Ａを呼び出す
MAIN1:	（なんたら）		; メイン処理の続き

 ：

; サブルーチンＡ
SUB_A:	（かんたら）		; Ａ本来の処理
	BRA	SUB_B		; Ｂに飛ぶ

 ：

; サブルーチンＢ
SUB_B:	（うんたら）		; Ｂ本来の処理
	RTS

　Ａの頭に飛んできた時点でスタックにはメインに戻るための値 MAIN1 が積まれているはずです。（かんたら）を実行した後、Ｂを呼んだらＡの仕事は終わり、あとはただメインに戻るだけです。Ｂを BSR で呼ぶ前にちょっと考えてみてください。もうＡでやることはないのですから、Ａに戻るための番地をスタックに積むのは無駄です。BRA でＢに飛べば、スタックには MAIN1 だけが積まれていますから、Ｂの RTS では直接 MAIN1 に戻ります。命令を１個減らせて、さらにスタックアクセスも減らせることがわかります。

　さて、ここからはＳＨの話に戻ります。コード例Ｈ８＿１をＳＨ用に直すとこうなります。（コード例ＳＨ＿１）
; メインルーチン
MAIN0:	BSR	SUB_A		; Ａを呼び出す
	NOP			; 遅延スロット
MAIN1:	（なんたら）		; メイン処理の続き

 ：

; サブルーチンＡ
SUB_A:	STS.L	PR,@-R15	; ＰＲを保存
	（かんたら）		; Ａ本来の処理（Ｂ以外のルーチンを呼び出す BSR もある）
	BSR	SUB_B		; Ｂを呼び出す
	NOP			; 遅延スロット

SUB_A1:	LDS.L	@R15+,PR	; ＰＲを復帰
	RTS
	NOP			; 遅延スロット

 ：

; サブルーチンＢ
SUB_B:	（うんたら）		; Ｂ本来の処理
	RTS
	NOP			; 遅延スロット

　ＳＨの場合、サブルーチンコールをすると戻り番地はスタックではなくＰＲに保存されます。ＰＲは１つしかありませんから、何も考えずＨ８と同じようなコードを書くと、２度目の BSR でＰＲが上書きされてしまい、大元のメインルーチンには戻れなくなってしまいます。そこで、内部で別のサブルーチンを呼ぶようなサブルーチンはコード例ＳＨ＿１のサブルーチンＡのように自主的にＰＲを保存する必要があります。

　こういうアーキテクチャはアセンブラプログラマの立場からすると面倒くさくて困るのですが、スピードの点からは有利なのです。サブルーチンＢのような末端ルーチンをループ中から呼びだす場合、Ｈ８のような戻り番地をスタックに積むＣＰＵだとループを回るごとに毎回戻り番地のスタックへの保存と復帰が行われますが、ＳＨのようにレジスタに保存するＣＰＵだと戻り番地保存のためのスタックアクセスは１回も行われません。

　ちなみに、「ＰＲの保存と復帰、遅延スロットに置けばいいんじゃね？」と考えて次のようなコードを書くと正しく動きません。
SUB_X:	BSR	SUB_Y		; サブルーチンＹを呼び出す
	STS.L	PR,@-R15	; Ｙを呼ぶ前にＰＲを保存したつもり（実はうまくいかない）

SUB_X1:	RTS			; メインルーチンに戻る
	LDS.L	@R15+,PR	; メインに戻る前にＰＲを復帰するつもり（実はうまくいかない）

　BSR、RTS 自体は遅延スロットより先に実行されます。つまりＰＲの保存や復帰を遅延スロットに書いても手遅れなのです。



　ここで「テールリカーシブの除去」を行ったらどうなるでしょうか？　BRA はＰＲをいじらないので BRA なら遅延スロットにＰＲの復帰コードを書いても大丈夫です。結局、コード例ＳＨ＿１の最終形は次のようになります。（コード例ＳＨ＿２）
; メインルーチン
MAIN0:	BSR SUB_A		; Ａを呼び出す
	NOP			; 遅延スロット
MAIN1:	（なんたら）		; メイン処理の続き

 ：

; サブルーチンＡ
SUB_A:	STS.L	PR,@-R15	; ＰＲを保存
	（かんたら）		; Ａ本来の処理（Ｂ以外のルーチンを呼び出す BSR もある）
	BRA	SUB_B		; Ｂに飛ぶ
	LDS.L	@R15+,PR	; ＰＲを復帰（遅延スロット）

 ：

; サブルーチンＢ
SUB_B:	（うんたら）		; Ｂ本来の処理
	RTS
	NOP			; 遅延スロット

　サブルーチンＡの記述が飛躍的に簡単になっていることに気づくと思います。RTS が無くなるだけではなく、遅延スロットも有効に使えています。このようにＳＨでは「テールリカーシブの除去」は非常に効果的です。以上の説明によりサブルーチン LSTLIN の一見不思議なコードも理解してもらえると思います。

　今回はこのへんまでにしておこうと思います。なお、行の構造が理解できたらＤＥＬＥＴＥコマンドの動作も難しくないと思います（ラベル名 XDEL）。いい練習問題になると思うので読解してみてください。