]> git.xn--bdkaa.com Git - lc3vm.zig.git/commitdiff
Little Computer 3 in Zig master
authorEvgenii Akentev <hi@xn--bdkaa.com>
Sat, 1 Nov 2025 16:17:50 +0000 (20:17 +0400)
committerEvgenii Akentev <hi@xn--bdkaa.com>
Sat, 1 Nov 2025 16:32:11 +0000 (20:32 +0400)
.gitignore [new file with mode: 0644]
build.zig [new file with mode: 0644]
build.zig.zon [new file with mode: 0644]
src/main.zig [new file with mode: 0644]
src/root.zig [new file with mode: 0644]

diff --git a/.gitignore b/.gitignore
new file mode 100644 (file)
index 0000000..bc0b345
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,23 @@
+# This file is for zig-specific build artifacts.
+# If you have OS-specific or editor-specific files to ignore,
+# such as *.swp or .DS_Store, put those in your global
+# ~/.gitignore and put this in your ~/.gitconfig:
+#
+# [core]
+#     excludesfile = ~/.gitignore
+#
+# Cheers!
+# -andrewrk
+
+.zig-cache/
+zig-out/
+/release/
+/debug/
+/build/
+/build-*/
+/docgen_tmp/
+
+# Although this was renamed to .zig-cache, let's leave it here for a few
+# releases to make it less annoying to work with multiple branches.
+zig-cache/
+
diff --git a/build.zig b/build.zig
new file mode 100644 (file)
index 0000000..454216b
--- /dev/null
+++ b/build.zig
@@ -0,0 +1,156 @@
+const std = @import("std");
+
+// Although this function looks imperative, it does not perform the build
+// directly and instead it mutates the build graph (`b`) that will be then
+// executed by an external runner. The functions in `std.Build` implement a DSL
+// for defining build steps and express dependencies between them, allowing the
+// build runner to parallelize the build automatically (and the cache system to
+// know when a step doesn't need to be re-run).
+pub fn build(b: *std.Build) void {
+    // Standard target options allow the person running `zig build` to choose
+    // what target to build for. Here we do not override the defaults, which
+    // means any target is allowed, and the default is native. Other options
+    // for restricting supported target set are available.
+    const target = b.standardTargetOptions(.{});
+    // Standard optimization options allow the person running `zig build` to select
+    // between Debug, ReleaseSafe, ReleaseFast, and ReleaseSmall. Here we do not
+    // set a preferred release mode, allowing the user to decide how to optimize.
+    const optimize = b.standardOptimizeOption(.{});
+    // It's also possible to define more custom flags to toggle optional features
+    // of this build script using `b.option()`. All defined flags (including
+    // target and optimize options) will be listed when running `zig build --help`
+    // in this directory.
+
+    // This creates a module, which represents a collection of source files alongside
+    // some compilation options, such as optimization mode and linked system libraries.
+    // Zig modules are the preferred way of making Zig code available to consumers.
+    // addModule defines a module that we intend to make available for importing
+    // to our consumers. We must give it a name because a Zig package can expose
+    // multiple modules and consumers will need to be able to specify which
+    // module they want to access.
+    const mod = b.addModule("lc3-vm_zig", .{
+        // The root source file is the "entry point" of this module. Users of
+        // this module will only be able to access public declarations contained
+        // in this file, which means that if you have declarations that you
+        // intend to expose to consumers that were defined in other files part
+        // of this module, you will have to make sure to re-export them from
+        // the root file.
+        .root_source_file = b.path("src/root.zig"),
+        // Later on we'll use this module as the root module of a test executable
+        // which requires us to specify a target.
+        .target = target,
+    });
+
+    // Here we define an executable. An executable needs to have a root module
+    // which needs to expose a `main` function. While we could add a main function
+    // to the module defined above, it's sometimes preferable to split business
+    // business logic and the CLI into two separate modules.
+    //
+    // If your goal is to create a Zig library for others to use, consider if
+    // it might benefit from also exposing a CLI tool. A parser library for a
+    // data serialization format could also bundle a CLI syntax checker, for example.
+    //
+    // If instead your goal is to create an executable, consider if users might
+    // be interested in also being able to embed the core functionality of your
+    // program in their own executable in order to avoid the overhead involved in
+    // subprocessing your CLI tool.
+    //
+    // If neither case applies to you, feel free to delete the declaration you
+    // don't need and to put everything under a single module.
+    const exe = b.addExecutable(.{
+        .name = "lc3-vm_zig",
+        .root_module = b.createModule(.{
+            // b.createModule defines a new module just like b.addModule but,
+            // unlike b.addModule, it does not expose the module to consumers of
+            // this package, which is why in this case we don't have to give it a name.
+            .root_source_file = b.path("src/main.zig"),
+            // Target and optimization levels must be explicitly wired in when
+            // defining an executable or library (in the root module), and you
+            // can also hardcode a specific target for an executable or library
+            // definition if desireable (e.g. firmware for embedded devices).
+            .target = target,
+            .optimize = optimize,
+            // List of modules available for import in source files part of the
+            // root module.
+            .imports = &.{
+                // Here "lc3-vm_zig" is the name you will use in your source code to
+                // import this module (e.g. `@import("lc3-vm_zig")`). The name is
+                // repeated because you are allowed to rename your imports, which
+                // can be extremely useful in case of collisions (which can happen
+                // importing modules from different packages).
+                .{ .name = "lc3-vm_zig", .module = mod },
+            },
+        }),
+    });
+
+    // This declares intent for the executable to be installed into the
+    // install prefix when running `zig build` (i.e. when executing the default
+    // step). By default the install prefix is `zig-out/` but can be overridden
+    // by passing `--prefix` or `-p`.
+    b.installArtifact(exe);
+
+    // This creates a top level step. Top level steps have a name and can be
+    // invoked by name when running `zig build` (e.g. `zig build run`).
+    // This will evaluate the `run` step rather than the default step.
+    // For a top level step to actually do something, it must depend on other
+    // steps (e.g. a Run step, as we will see in a moment).
+    const run_step = b.step("run", "Run the app");
+
+    // This creates a RunArtifact step in the build graph. A RunArtifact step
+    // invokes an executable compiled by Zig. Steps will only be executed by the
+    // runner if invoked directly by the user (in the case of top level steps)
+    // or if another step depends on it, so it's up to you to define when and
+    // how this Run step will be executed. In our case we want to run it when
+    // the user runs `zig build run`, so we create a dependency link.
+    const run_cmd = b.addRunArtifact(exe);
+    run_step.dependOn(&run_cmd.step);
+
+    // By making the run step depend on the default step, it will be run from the
+    // installation directory rather than directly from within the cache directory.
+    run_cmd.step.dependOn(b.getInstallStep());
+
+    // This allows the user to pass arguments to the application in the build
+    // command itself, like this: `zig build run -- arg1 arg2 etc`
+    if (b.args) |args| {
+        run_cmd.addArgs(args);
+    }
+
+    // Creates an executable that will run `test` blocks from the provided module.
+    // Here `mod` needs to define a target, which is why earlier we made sure to
+    // set the releative field.
+    const mod_tests = b.addTest(.{
+        .root_module = mod,
+    });
+
+    // A run step that will run the test executable.
+    const run_mod_tests = b.addRunArtifact(mod_tests);
+
+    // Creates an executable that will run `test` blocks from the executable's
+    // root module. Note that test executables only test one module at a time,
+    // hence why we have to create two separate ones.
+    const exe_tests = b.addTest(.{
+        .root_module = exe.root_module,
+    });
+
+    // A run step that will run the second test executable.
+    const run_exe_tests = b.addRunArtifact(exe_tests);
+
+    // A top level step for running all tests. dependOn can be called multiple
+    // times and since the two run steps do not depend on one another, this will
+    // make the two of them run in parallel.
+    const test_step = b.step("test", "Run tests");
+    test_step.dependOn(&run_mod_tests.step);
+    test_step.dependOn(&run_exe_tests.step);
+
+    // Just like flags, top level steps are also listed in the `--help` menu.
+    //
+    // The Zig build system is entirely implemented in userland, which means
+    // that it cannot hook into private compiler APIs. All compilation work
+    // orchestrated by the build system will result in other Zig compiler
+    // subcommands being invoked with the right flags defined. You can observe
+    // these invocations when one fails (or you pass a flag to increase
+    // verbosity) to validate assumptions and diagnose problems.
+    //
+    // Lastly, the Zig build system is relatively simple and self-contained,
+    // and reading its source code will allow you to master it.
+}
diff --git a/build.zig.zon b/build.zig.zon
new file mode 100644 (file)
index 0000000..9a43c8a
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,81 @@
+.{
+    // This is the default name used by packages depending on this one. For
+    // example, when a user runs `zig fetch --save <url>`, this field is used
+    // as the key in the `dependencies` table. Although the user can choose a
+    // different name, most users will stick with this provided value.
+    //
+    // It is redundant to include "zig" in this name because it is already
+    // within the Zig package namespace.
+    .name = .arithvm_zig,
+    // This is a [Semantic Version](https://semver.org/).
+    // In a future version of Zig it will be used for package deduplication.
+    .version = "0.0.0",
+    // Together with name, this represents a globally unique package
+    // identifier. This field is generated by the Zig toolchain when the
+    // package is first created, and then *never changes*. This allows
+    // unambiguous detection of one package being an updated version of
+    // another.
+    //
+    // When forking a Zig project, this id should be regenerated (delete the
+    // field and run `zig build`) if the upstream project is still maintained.
+    // Otherwise, the fork is *hostile*, attempting to take control over the
+    // original project's identity. Thus it is recommended to leave the comment
+    // on the following line intact, so that it shows up in code reviews that
+    // modify the field.
+    .fingerprint = 0x79da8ce1ed863de0, // Changing this has security and trust implications.
+    // Tracks the earliest Zig version that the package considers to be a
+    // supported use case.
+    .minimum_zig_version = "0.15.1",
+    // This field is optional.
+    // Each dependency must either provide a `url` and `hash`, or a `path`.
+    // `zig build --fetch` can be used to fetch all dependencies of a package, recursively.
+    // Once all dependencies are fetched, `zig build` no longer requires
+    // internet connectivity.
+    .dependencies = .{
+        // See `zig fetch --save <url>` for a command-line interface for adding dependencies.
+        //.example = .{
+        //    // When updating this field to a new URL, be sure to delete the corresponding
+        //    // `hash`, otherwise you are communicating that you expect to find the old hash at
+        //    // the new URL. If the contents of a URL change this will result in a hash mismatch
+        //    // which will prevent zig from using it.
+        //    .url = "https://example.com/foo.tar.gz",
+        //
+        //    // This is computed from the file contents of the directory of files that is
+        //    // obtained after fetching `url` and applying the inclusion rules given by
+        //    // `paths`.
+        //    //
+        //    // This field is the source of truth; packages do not come from a `url`; they
+        //    // come from a `hash`. `url` is just one of many possible mirrors for how to
+        //    // obtain a package matching this `hash`.
+        //    //
+        //    // Uses the [multihash](https://multiformats.io/multihash/) format.
+        //    .hash = "...",
+        //
+        //    // When this is provided, the package is found in a directory relative to the
+        //    // build root. In this case the package's hash is irrelevant and therefore not
+        //    // computed. This field and `url` are mutually exclusive.
+        //    .path = "foo",
+        //
+        //    // When this is set to `true`, a package is declared to be lazily
+        //    // fetched. This makes the dependency only get fetched if it is
+        //    // actually used.
+        //    .lazy = false,
+        //},
+    },
+    // Specifies the set of files and directories that are included in this package.
+    // Only files and directories listed here are included in the `hash` that
+    // is computed for this package. Only files listed here will remain on disk
+    // when using the zig package manager. As a rule of thumb, one should list
+    // files required for compilation plus any license(s).
+    // Paths are relative to the build root. Use the empty string (`""`) to refer to
+    // the build root itself.
+    // A directory listed here means that all files within, recursively, are included.
+    .paths = .{
+        "build.zig",
+        "build.zig.zon",
+        "src",
+        // For example...
+        //"LICENSE",
+        //"README.md",
+    },
+}
diff --git a/src/main.zig b/src/main.zig
new file mode 100644 (file)
index 0000000..f3079ce
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,20 @@
+const std = @import("std");
+const lc3vm_zig = @import("lc3-vm_zig");
+
+pub fn main() !void {
+    var arena = std.heap.ArenaAllocator.init(std.heap.page_allocator); 
+    defer arena.deinit();
+
+    var memory = &lc3vm_zig.memory;
+
+    memory[0x3000] = 0xF026;    //  1111 0000 0010 0110             TRAP trp_in_u16  ;read an uint16_t from stdin and put it in R0
+    memory[0x3002] = 0x1220;    //  0001 0010 0010 0000             ADD R1,R0,x0     ;add contents of R0 to R1
+    memory[0x3003] = 0xF026;    //  1111 0000 0010 0110             TRAP trp_in_u16  ;read an uint16_t from stdin and put it in R0
+    memory[0x3004] = 0x1240;    //  0001 0010 0010 0000             ADD R1,R1,R0     ;add contents of R0 to R1
+    memory[0x3006] = 0x1060;    //  0001 0000 0110 0000             ADD R0,R1,x0     ;add contents of R1 to R0
+    memory[0x3007] = 0xF027;    //  1111 0000 0010 0111             TRAP trp_out_u16;show the contents of R0 to stdout
+    memory[0x3008] = 0xF025;    //  1111 0000 0010 0101             HALT             ;halt
+
+    try lc3vm_zig.start(arena.allocator(), 0);
+}
+
diff --git a/src/root.zig b/src/root.zig
new file mode 100644 (file)
index 0000000..cc4e676
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,221 @@
+//! By convention, root.zig is the root source file when making a library.
+const std = @import("std");
+
+// Implementation of the Little Computer 3 following
+// https://www.andreinc.net/2021/12/01/writing-a-simple-vm-in-less-than-125-lines-of-c
+
+const pcStart: u16 = 0x3000;
+const u16Max: u32 = 65535;
+pub var memory: [u16Max + 1]u16 = .{0} ** (u16Max + 1);
+var running: bool = true;
+
+inline fn mr(address: u16) u16 { return memory[address]; }
+
+inline fn mw(address: u16, value: u16) void {
+    memory[address] = value;
+}
+
+const Register = enum(u16) {
+    R0 = 0,
+    R1 = 1,
+    R2 = 2,
+    R3 = 3,
+    R4 = 4,
+    R5 = 5,
+    R6 = 6,
+    R7 = 7,
+    RPC = 8,
+    RCND = 9,
+    RCNT = 10
+};
+
+var registers: [11]u16 = .{0} ** 11;
+
+// The instruction fits into u16:
+//
+// [ OP CODE ][ PARAM1 ][ PARAM2 ][ ][ PARAM3 ]
+// [ 4 bits  ][          12 bits              ]
+
+const Opcode = enum {
+    br, // conditional
+    add, // addition
+    ld, // load RPC + offset
+    st, // store
+    jsr, // jump to subroutine
+    andop, // bitwise and
+    ldr, // load base + offset
+    str, // store base + offset
+    rti, // return from interrupt
+    not, // bitwise complement
+    ldi, // load indirect
+    sti, // store indirect
+    jmp, // jump/return to subroutine
+    unused, // unused opcode
+    lea, // load effective address
+    trap, // system trap/call
+
+    pub fn parse(instruction: u16) Opcode {
+        // shift 12 bits to the right to get first 4 bits
+        return @enumFromInt(instruction >> 12);
+    }
+};
+
+const TrapFunc = enum {
+    tgetc, tout, tputs, tin, tputsp, thalt, tinu16, toutu16,
+
+    pub fn parse(n: u16) TrapFunc {
+        return @enumFromInt(n);
+    }
+};
+
+const Flag = enum(u16) {
+    FP = (1 << 0),
+    FZ = (1 << 1),
+    FN = (1 << 2),
+};
+
+inline fn uf(r: u16) void {
+    if (registers[r] == 0) { registers[@intFromEnum(Register.RCND)] = @intFromEnum(Flag.FZ); }
+    else if ((registers[r] >> 15) == 1) { registers[@intFromEnum(Register.RCND)] = @intFromEnum(Flag.FN); }
+    else registers[@intFromEnum(Register.RCND)] = @intFromEnum(Flag.FP);
+}
+
+inline fn fcnd(instruction: u16) u16 { return (instruction >> 9) & 0x7; }
+inline fn dr(instruction: u16) u16 { return (instruction >> 9) & 0x7; }
+inline fn sr1(instruction: u16) u16 { return(instruction >> 6) & 0x7; }
+inline fn sr2(instruction: u16) u16 { return (instruction) & 0x7; }
+inline fn imm(instruction: u16) u16 { return (instruction) & 0x1F; }
+inline fn fimm(instruction: u16) u16 { return (instruction >> 5) & 1; }
+
+inline fn sext(n: u16, b: u32) u16 {
+    return if ((n >> (b - 1)) & 1 == 1) @truncate(@as(u32, n) | (0xFFFF << b)) else n;
+}
+
+//  0000 0000 0001 0110 <--- a in binary
+//  1111 1111 1111 0110 <--- sextimm(a) in binary
+inline fn sextimm(instruction: u16) u16 { return sext(imm(instruction), 5); }
+
+inline fn poff(instruction: u16) u16 { return sext(instruction & 0x3F, 6); }
+inline fn poff9(instruction: u16) u16 { return sext(instruction & 0x1FF, 9); }
+inline fn poff11(instruction: u16) u16 { return sext(instruction & 0x7FF, 11); }
+inline fn fl(instruction: u16) u16 { return (instruction >> 11) & 1; }
+inline fn br(instruction: u16) u16 { return (instruction >> 6) & 0x7; }
+inline fn trp(instruction: u16) u16 { return instruction & 0xFF; }
+
+pub fn evaluate(allocator: std.mem.Allocator, i: u16) !void {
+    switch (Opcode.parse(i)) {
+        inline .add => {
+            registers[dr(i)] = registers[sr1(i)] +
+                if (fimm(i) == 1)
+                    sextimm(i)
+                else registers[sr2(i)];
+            uf(dr(i));
+        },
+        inline .andop => {
+            registers[dr(i)] = registers[sr1(i)] & (if (fimm(i) == 1) (sextimm(i)) else registers[sr2(i)]);
+            uf(dr(i));
+        },
+        inline .ld => {
+            registers[dr(i)] = mr(registers[@intFromEnum(Register.RPC)] + poff9(i));
+            uf(dr(i));
+        },
+        inline .ldi => {
+            registers[dr(i)] = mr(mr(registers[@intFromEnum(Register.RPC)] + poff9(i)));
+            uf(dr(i));
+        },
+        inline .ldr => {
+            registers[dr(i)] = mr(registers[sr1(i)] + poff(i));
+            uf(dr(i));
+        },
+        inline .lea => {
+            registers[dr(i)] = registers[@intFromEnum(Register.RPC)] + poff9(i);
+            uf(dr(i));
+        },
+        inline .not => {
+            registers[dr(i)] = ~ registers[sr1(i)];
+            uf(dr(i));
+        },
+        inline .st => {
+            mw(registers[@intFromEnum(Register.RPC)] + poff9(i), registers[dr(i)]);
+        },
+        inline .sti => {
+            mw(mr(registers[@intFromEnum(Register.RPC)] + poff9(i)), registers[dr(i)]);
+        },
+        inline .str => {
+            mw(registers[sr1(i)] + poff(i), registers[dr(i)]);
+        },
+        inline .jmp => {
+            registers[@intFromEnum(Register.RPC)] = registers[br(i)];
+        },
+        inline .jsr => {
+            registers[@intFromEnum(Register.R7)] = registers[@intFromEnum(Register.RPC)];
+            registers[@intFromEnum(Register.RPC)] = if (fl(i) == 1) (registers[@intFromEnum(Register.RPC)] + poff11(i)) else registers[br(i)];
+        },
+        inline .br => {
+            if (registers[@intFromEnum(Register.RCND)] & fcnd(i) == 1) {
+                registers[@intFromEnum(Register.RPC)] += poff9(i);
+            }
+        },
+        inline .unused, .rti => {
+        },
+        inline .trap => {
+            switch (TrapFunc.parse(trp(i) - 0x20)) {
+                inline .tgetc => {
+                    const dest: []u8 = try allocator.alloc(u8, 1); 
+                    _ = try std.fs.File.stdin().read(dest);
+                    registers[@intFromEnum(Register.R0)] = dest[0];
+                },
+                inline .tout => {
+                    std.debug.print("{}", .{ registers[@intFromEnum(Register.R0)] });
+                },
+                inline .tputs => {
+                },
+                inline .tin => {
+                    const buffer: []u8 = try allocator.alloc(u8, 1024); 
+                    defer allocator.free(buffer);
+
+                    var stdin = std.fs.File.stdin().reader(buffer).interface;
+                    const m = try stdin.takeInt(u8, .little);
+                    registers[@intFromEnum(Register.R0)] = m;
+                },
+                inline .thalt => {
+                    running = false;
+                },
+                inline .tinu16 => {
+                    const buffer: []u8 = try allocator.alloc(u8, 1024); 
+                    defer allocator.free(buffer);
+
+                    var line_buffer: []u8 = try allocator.alloc(u8, 1024); 
+                    defer allocator.free(line_buffer);
+                    var writer: std.io.Writer = .fixed(line_buffer);
+                    
+                    var stdin = std.fs.File.stdin().reader(buffer).interface;
+
+                    const line_length = try stdin.streamDelimiterLimit(&writer, '\n', .unlimited);
+                    const v: u16 = try std.fmt.parseInt(u16, line_buffer[0..line_length], 10);
+                    registers[@intFromEnum(Register.R0)] = v;
+                },
+                inline .tputsp => {
+                },
+                inline .toutu16 => {
+                    const buffer: []u8 = try allocator.alloc(u8, 1024); 
+                    defer allocator.free(buffer);
+
+                    const v: u16 = registers[@intFromEnum(Register.R0)]; 
+                    std.debug.print("{}\n", .{ v });
+                },
+            }
+        }
+    }
+}
+
+pub fn start(allocator: std.mem.Allocator, offset: u16) !void {
+    registers[@intFromEnum(Register.RPC)] = pcStart + offset;
+    while (running) {
+        const instruction = mr(registers[@intFromEnum(Register.RPC)]);
+        registers[@intFromEnum(Register.RPC)] += 1;
+
+        try evaluate(allocator, instruction);
+    }
+}
+