path: root/doc/src/libmcpu-bytecode-architecture-ru.tex

\documentclass[10pt,a4paper,oneside,openany]{memoir}
\newcommand{\DocShortTitle}{LibMCPU: архитектура машинного кода и ABI}
\input{libmcpu-doc-common.tex}
\hypersetup{pdftitle={LibMCPU: архитектура машинного кода, памяти и ABI вызовов},pdfsubject={Технический справочник по архитектуре LibMCPU}}
\begin{document}
\DocTitlePage{LibMCPU: архитектура машинного кода,\\памяти и ABI вызовов}{Регистровая модель, ISA, PTR64, CALL ABI, lifecycle и runtime}{Техническое справочное руководство}

\ManualIntro{Документ фиксирует текущий архитектурный контракт LibMCPU: register model, ISA, memory spaces, PTR64, CALL ABI, MELF lifecycle, syscall/error ABI, dynamic startup linking и подписанный HLL Runtime ABI между mcpu-ld, CRT и MCPU Libc. Документ намеренно не связан с номером выпуска пакета. Для бинарного формата MELF действует отдельное руководство \code{libmcpu-melf-abi-ru.pdf}.}

\begin{principle}
\textbf{Главный принцип.} Физический регистр LibMCPU нетипизирован. \REG{} задаёт только физическую ширину и байтовый адрес в едином register file. Integer/Real/Complex смысл определяется opcode; запись \code{c<bits>@addr} является semantic view того же физического регистра. Архитектурный \PTR{} также является обычным 64-битным значением, но его декодирование и права доступа задаются ABI.
\end{principle}

\tableofcontents
\clearpage

\part{Базовая архитектура, ISA и CALL ABI}
\input{libmcpu-architecture-core-ru.tex}

\part{Memory backing, представление объектов и assembler}
\input{libmcpu-architecture-runtime-ru.tex}
\input{libmcpu-isa-coverage-ru.tex}
\input{libmcpu-assembler-details-ru.tex}

\part{Program Model ABI, runtime и динамическая загрузка}
\section{Program Model Lifecycle ABI}
Каждый исполняемый MELF-файл имеет обязательные lifecycle symbols \code{_start} и \code{_life}; \code{e_entry} всегда указывает на \code{_start}. Секция \code{.init} и символ \code{_fini} необязательны. Эти точки входа принадлежат MELF/runtime ABI и не должны смешиваться с функциями будущего языка высокого уровня.

\subsection{С отдельным INIT}
\begin{lstlisting}
.init
_start:
        ... one-time startup ...
        END

.text
_life:
        ... resumable LIFE phase ...
        END
\end{lstlisting}
Тогда \code{e_init_entry=_start}, а \code{e_life_entry=_life}. Первый \code{END} завершает INIT; runtime устанавливает PC в \code{_life} и начинает LIFE. Последующие LIFE \code{END} возвращают управление supervisor-у, а следующий resume продолжается с инструкции после соответствующего \code{END}.

\subsection{Без INIT}
\begin{lstlisting}
.text
_start_life:
        ... startup / ordinary program trampoline ...
\end{lstlisting}
Псевдометка \code{_start_life:} эквивалентна двум последовательным labels \code{_start:} и \code{_life:} по одному адресу. В final executable \code{e_init_entry=0} и \code{e_entry == e_life_entry}. Эта форма особенно естественна для обычной PROGRAM, которая заканчивается через \code{EXIT} и не создаёт LIFE boundaries.

\subsection{FINI, END и EXIT}
\code{END} завершает текущую управляемую фазу и возвращает управление supervisor-у. Graceful \code{EXIT(status)} завершает normal execution; если имеется \code{.fini}/\code{_fini}, runtime сохраняет status, входит в FINI и требует завершить FINI инструкцией \code{END}. Второй \code{EXIT} внутри FINI не является нормальным контрактом. Diagnostic stop по \code{--steps} не симулирует graceful \code{EXIT} и потому сам по себе FINI не запускает.

\input{libmcpu-hll-crt-contract-ru.tex}

\section{McpuStartup и argc/argv}
Перед первой guest-инструкцией загрузчик создаёт постоянную область запуска (startup area) в верхней части STACK. Заголовок имеет размер 32 байта и выравнивание 16 байт:
\par\medskip
\noindent\begin{tabularx}{\textwidth}{@{}L{20mm}L{30mm}L{24mm}Y@{}}
\toprule
\textbf{Смещение} & \textbf{Поле} & \textbf{Размер} & \textbf{Значение}\\
\midrule
0x00 & version & 4 & \code{MCPU_STARTUP_VERSION_1}\\
0x04 & size & 4 & 32\\
0x08 & argc & 8 & число аргументов guest-программы\\
0x10 & argv & 8 & \PTR(STACK, массив argv)\\
0x18 & reserved & 8 & ноль\\
\bottomrule
\end{tabularx}
После заголовка расположен массив \code{argv[0..argc]} из PTR64, завершающий NULL, затем NUL-terminated строки аргументов. Эта область остаётся действительной всё время жизни executable. Начальное состояние: \code{PC=e_entry}, \code{SP=startup_base}, \code{FP=stack_size}.

\section{HEAP и program break}
HEAP --- отдельный runtime-сегмент SEG=0x7. Он не расширяет DATA и не имеет assembler payload. Определяемый компоновщиком неподменяемый символ \code{_end} равен \PTR(HEAP,16); это начальный и минимальный program break.

Runtime хранит \code{_heap_brk}, \code{_heap_size}, \code{_heap_capacity}, immutable \code{_heap_limit}. Запрос ниже 16 или выше limit отклоняется и возвращает прежний break. Shrink не обязан уменьшать host mapping/capacity; освобождённый range немедленно zeroes. Regrow в уже существующий backing снова открывает deterministic zero memory. При backing relocation guest pointers остаются valid, потому что содержат segment+offset.

\section{SYSCALL ABI и SYS_brk}
Zero-operand instruction \code{SYSCALL} использует fixed overlapping register area в верхней части register file.
\par\medskip
\noindent\begin{tabularx}{\textwidth}{@{}L{32mm}L{32mm}Y@{}}
\toprule
\textbf{Role} & \textbf{Address/view} & \textbf{Meaning}\\
\midrule
SYSNO & \code{r32@0x7fffc} & syscall number\\
NARGS & \code{r32@0x7fff8} & argument count\\
RET & \code{r64@0x7fff8} & return value; overlaps NARGS\\
ARG0..ARG5 & \code{r64@0x7fff0} ... \code{r64@0x7ffc8} & up to six arguments\\
\bottomrule
\end{tabularx}

Первый syscall --- \code{SYS_brk}, number 10. Он требует один argument: NULL означает query, HEAP PTR64 requests absolute new break. Общее правило syscall ABI использует стабильные host-independent MCPU errno: неуспех возвращает отрицательное \code{-MCPU_errno}, а host errno преобразуется на sysdeps boundary и наружу не выходит. \code{SYS_brk} является специальным исключением: он возвращает фактический/current HEAP PTR64 и при accepted, и при rejected request. Unsupported syscall number возвращает \code{-ENOSYS} из MCPU errno namespace.

\begin{lstlisting}
; query current break
MOV     r32@0x7fff8, 1
LDI     r32@0x7fffc, 10
CLR     r64@0x7fff0
SYSCALL
; result: r64@0x7fff8
\end{lstlisting}

\section{Startup dynamic linking: архитектурный взгляд}
Текущий normal dynamic contract --- frozen MELF ABI v3. \code{mcpu-ld --dynamic} создаёт ABI-v3 ET_EXEC, а \code{mcpu-ld --shared --soname=NAME} --- ABI-v3 ET_DYN. В отличие от исторического ABI v2, normal dependencies записываются в canonical non-ALLOC \code{.dynamic} как \code{DT_NEEDED}, а shared object имеет обязательный \code{DT_SONAME}. ABI v2 остаётся читаемым как historical explicit-preload input format.

\code{mcpu-run} обнаруживает NEEDED graph до исполнения guest-кода, проверяет SONAME identity, загружает dependencies breadth-first/left-to-right и завершает symbol resolution/RELA до первой инструкции \code{_start}. Явный \code{--ldpreload} и \code{MCPU_LD_PRELOAD} остаются override/interposition mechanisms. PLT/GOT, lazy binding, \code{dlopen()}, \code{dlsym()} и runtime lookup после старта отсутствуют.

ET_DYN содержит только загружаемое PROGRAM/DATA содержимое \code{.text/.data/.bss} плюс non-ALLOC metadata; lifecycle, CONTROL/INPUT/OUTPUT/TRACE, STACK и HEAP принадлежат главному executable.

\subsection{GLOBAL/WEAK interposition}
Сильный GLOBAL имеет приоритет над WEAK. Для equal-strength definitions highest scope имеет explicit preload с установленным rightmost priority, затем main executable, затем normal NEEDED graph в breadth-first/left-to-right order. Lifecycle symbols \code{_start/_life/_fini} остаются частными для executable и не участвуют в interposition.

\subsection{LOCAL ET_DYN runtime rebasing}
\begin{normative}
LOCAL symbol остаётся private и non-preemptible, но ссылка на него внутри ET_DYN \textbf{не может быть окончательно превращена в process address при static link}: final PROGRAM/DATA base shared object ещё неизвестна. Поэтому такая ссылка сохраняется как LOCAL runtime RELA. Startup linker разрешает её строго против originating module и добавляет runtime segment base. LOCAL symbols не попадают в GLOBAL/WEAK winner namespace.
\end{normative}

Правило возникло как исправление runtime-address contract ещё в ABI v2 и является нормативной частью frozen ABI v3. Оно не открывает LOCAL symbol для interposition.

\section{mcpu-run как host-side test bench}
Помимо one-shot inspection options, runtime поддерживает четыре lifecycle stages:
\par\medskip
\noindent\begin{tabularx}{\textwidth}{@{}L{36mm}Y@{}}
\toprule
\textbf{Опция} & \textbf{Граница выполнения}\\
\midrule
\code{--before-run=<action>} & after load/preload/relocations/startup, before first guest instruction\\
\code{--after-init=<action>} & after INIT END; при отсутствии .init --- один раз на logical empty INIT boundary\\
\code{--on-step=<action>} & after every LIFE END\\
\code{--after-run=<action>} & after final normal stop; graceful FINI уже завершён\\
\bottomrule
\end{tabularx}

Stage-опции можно повторять; они выполняются слева направо. Фильтры по номеру шага намеренно отсутствуют.

\subsection{Typed actions}
\begin{lstlisting}[language={}]
print-int-regs:r64@0x100,r64@0x108
print-real-regs:r128@0x200,r256@0x300
set-int-regs:r64@0x100=123,r64@0x108=-17
set-real-regs:r128@0x200=1.25,r128@0x220=-2.5

print-int-<memory>:64@16,64@24
print-real-<memory>:128@32,128@48
set-int-<memory>:64@16=123,64@24=456
set-real-<memory>:128@32=1.25,128@48=2.5
\end{lstlisting}
\code{<memory>} --- data, control, heap, input, output, trace. Один scalar print-action печатает comma-list одной строкой через spaces. Set values разбираются через LibMPUIO \code{mpu_sscanf()}; whole action валидируется до первой записи, а guest PSW сохраняется вокруг host-side numeric parsing.

\subsection{Raw actions}
\code{print-raw-<memory>:<bytes>@<addr>} read-only и описывает ровно один dump. Comma-list запрещён; для нескольких dumps повторяется stage option. \code{set-raw-*} не существует. Size принимает raw bytes и K/KiB, M/MiB, G/GiB с binary multipliers. DATA raw view ограничен linked \code{.data} и не перелезает в \code{.bss}; HEAP host view ограничен prepared backing, тогда как guest access ограничен current break.

\subsection{Двойной дефис как разделитель}
Preferred CLI:
\begin{lstlisting}[language={}]
mcpu-run [runtime-options] -- executable [program-args...]
\end{lstlisting}
После separator \lstinline|--| tokens не интерпретируются как runner options. Первый token становится executable spelling и guest \code{argv[0]}. Legacy form без separator сохранена.


\section{Бинарные утилиты toolchain}
Системные инструменты MELF используют единый public format contract и не вводят альтернативного представления машинного кода.
\par\medskip
\noindent\begin{tabularx}{\textwidth}{@{}L{36mm}Y@{}}
\toprule
\textbf{Команда} & \textbf{Назначение}\\
\midrule
\code{mcpu-readelf} & Структурный read-only просмотр MELF headers, sections, symbols, RELA, dynamic и MCPU metadata.\\
\code{mcpu-ar} & Deterministic UNIX static archives из MELF ET\_REL с System-V/GNU-style symbol index.\\
\code{mcpu-nm} & Symbol-table inspection для объектов, executables, shared objects и archives.\\
\code{mcpu-objdump} & Section/relocation inspection и дизассемблирование через тот же decoder, который используется CPU runtime.\\
\code{mcpu-strip} & Консервативное удаление только non-runtime symbol metadata; link/runtime-critical sections сохраняются.\\
\code{mcpu-objcopy} & MELF-to-MELF structural copy и safe editing non-ALLOC metadata; runtime-visible image защищён.\\
\bottomrule
\end{tabularx}

\begin{principle}
MELF уже является native object/executable container виртуальной MCPU. Поэтому \code{mcpu-objcopy} не имеет режимов flat binary, Intel HEX, S-record, VMA/LMA или подготовки firmware image для SPI NOR. Metadata-only edit обязан сохранять guest-visible allocated image и frozen ABI v3 execution semantics.
\end{principle}

Английские и русские manual pages устанавливаются как section 1 для каждой команды; обзор архитектуры и toolchain доступен как \code{libmcpu(7)}.

\section{Инварианты реализации}
\begin{enumerate}
\item PROGRAM machine fields всегда MSB-first; data representation не смешивается с code representation.
\item Register address и PTR64 offset не являются host pointers.
\item Bounds/permission validation precedes guest-visible writes, где instruction contract требует atomicity.
\item DATA имеет один process-owned 16-byte NULL guard; ET_DYN не получает собственного guard.
\item HEAP имеет immutable configured limit и minimum break 16; released bytes zeroed on shrink.
\item ABI-v1 static executable полностью linked; ordinary loader его не relink-ит.
\item ABI-v2/v3 startup linking завершается до \code{_start}; после старта symbol lookup отсутствует.
\item LOCAL ET_DYN references runtime-rebased, но никогда не interpose.
\item Lifecycle boundaries определяются guest \code{END/EXIT}; stage actions лишь наблюдают/модифицируют state на host side.
\end{enumerate}


\appendix
\section{Полный справочник директив mcpu-as}
Этот appendix перечисляет assembler directives и специальные формы, которые являются частью текущего source contract. Детальная grammar выражений и ограничения sections приведены в основной части документа.
\input{libmcpu-assembler-directives-table.tex}

\section{Полная таблица OPCODE16}
Таблица перечисляет все значения public \code{cpu_opcode}. Каждый opcode однозначно задаёт число и тип последующих operands; PROGRAM machine fields сериализуются MSB-first. Operand spellings показаны в терминах assembler ABI.
\input{libmcpu-opcode-table.tex}

\section{PSW selectors и RCONST}
\subsection{PSW bit selectors}
\input{libmcpu-psw-table.tex}
\subsection{RCONST selectors}
\input{libmcpu-rconst-table.tex}

\section{Краткая памятка ABI}
\par\medskip
\noindent\begin{tabularx}{\textwidth}{@{}L{42mm}Y@{}}
\toprule
Register file & 512 KiB, overlapping REG24 views\\
Return Value Area & top 8192 bytes, scalar result at \code{0x80000-size}\\
PTR64 & SEG4:OFF60; DATA=0, STACK=1, PROGRAM=2, CONTROL=3, INPUT=4, OUTPUT=5, TRACE=6, HEAP=7\\
CALL alignment & 16 bytes; CALL pushes 8-byte return PC; caller owns argument block\\
PSW & bits 0..15 volatile across call; TF/IF/MODE preserved if changed\\
DATA guard & process offsets 0..15 zero\\
HEAP & begin/break minimum 16; \code{_end=HEAP:16}\\
Startup & 32-byte McpuStartup + argv PTR64 array + strings; persistent\\
Low-level lifecycle & mandatory \code{_start}, \code{_life}; optional \code{_fini}; \code{e_entry=_start}\\
HLL PROGRAM & defining ET_REL: \code{main+fini}; automatic \code{crt0.o+crti.o+crtn.o}\\
HLL MODEL & defining ET_REL: \code{init+life+fini}; automatic \code{crt1.o+crti.o+crtn.o}\\
Dynamic & frozen normal ABI v3 with SONAME/NEEDED; ABI v2 remains historical explicit-preload input format\\
\bottomrule
\end{tabularx}

\end{document}