メモリ上で実際に動くプログラム（その２） [Z80]
メモリ上で実際に動き（移動し）通過した後にはNOP命令のみを残してひたすらメモリ上を駆け回る自走プログラムで新たな展開があったので記録しておきたいと思います。
前回の記事で追記したブロック転送のみによる自走プログラムはアイディアは面白いのですが、前回の記事に書いたように今回の自走プログラムの条件の一つである「一回のコピーでのメモリ上の移動量はなるべく小さくする（数バイト程度）」という点では初版のものより劣っていたのでもっと小刻みに移動するものはできないか考えてみました。
前回記事に追記したプログラムは PUSH を使わずブロック転送のみで自走プログラムを実現したので逆の発想で PUSH のみで自走プログラムができないかも試みてみます。
これは結構難しく、できそうではあるけれどもう一歩のところでなかなかできません。
Z80 はレジスタは多いのですが、PUSH 対象のレジスタペア数は半減しそれほど多くないので 裏レジスタと AF レジスタペアまで利用しました。
AF レジスタペアを利用するにあたり、フラグレジスタの未使用ビットに値を設定できるのかを検索してみると「Z８０のフラグレジスタについて」がヒットしましたが回答は「～～の場合もありうる」という内容で質問に対する回答（できるかできないか）が書いてありません。
海外のネット情報では例えば「What is the purpose of the reserved/undefined bit in the flag register?」にあるように Z80 のフラグの未使用ビットには値を設定できる旨が書いてありました。
念のためにザイログ製の Z80 を使って下記のプログラムで確認してみた結果、出力は Ok だったのでフラグの未使用ビットも値を保持できることを確認できました。
※2024/02/04 improved slightly
今回のプログラムも自身のコードを上書きするのでディバッガでのステップ動作等は使えず、机上ディバッグメインで動かしました。通常のプログラムを組む時の思考とは違う考え方が必要なので結構大変でした。普通に考えると PUSH 対象のレジスタペアが足りないのでレフレックスラジオが一つのトランジスタを高周波と低周波で２回使うように二つのレジスタペアを２回づつ使っています。この共通コードができるようにし、レジスタの使用を節約するように調整するのが難しいパズルでした。
完成したソースを以下に示します。メモリ上の移動幅は究極の１バイトで、メモリを逆走します。このソースを見て机上で動作を追えるでしょうか？ PC と SP がクロスする部分の仕掛け等を堪能してください。
★追記 2024/01/28 {
コード生成に必要な PUSH 回数について考察してみると
しかし、生成コードの中には順番を逆転できない制約がある部分があり、今回の自走プログラムはかなり厳しい条件の中で辛うじて達成できたと言えると思います。
}
前回の記事と同様に自作の Z80 ボードである Z80GalCompact を使って動作確認してみました。
今回作成した自走プログラムは runcode3 で実行後にリセットし、メモリ上に残っているプログラムのコードを GAME 言語で作成したサーチプログラムで探しています。
X（旧Twitter）で教えてもらったメモリの全空間が RAM で メモリ上に VRAM をアサインできる MZ-2200 のエミュレータで自走プログラムが VRAM 上を通る時の画面キャプチャを貼っておきます。
下記の例では PUSH 命令によって PUSH 命令自身を書き換えています。
以下がステップ動作時の画面表示です。「done 00000009 PUSH HL」と表示されずに「done 00000009 INC A」と表示されていますね。Aregはゼロのままでメモリは HL の値に書き換わっているので実際は PUSH HL を実行し、done 表示ではメモリから再読みこみして表示しているようです（つまり実行動作は問題なくて表示が違っているだけ）。極めてレアなケースなので通常の使用には問題ないと思われます。
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前回の記事で追記したブロック転送のみによる自走プログラムはアイディアは面白いのですが、前回の記事に書いたように今回の自走プログラムの条件の一つである「一回のコピーでのメモリ上の移動量はなるべく小さくする（数バイト程度）」という点では初版のものより劣っていたのでもっと小刻みに移動するものはできないか考えてみました。
前回記事に追記したプログラムは PUSH を使わずブロック転送のみで自走プログラムを実現したので逆の発想で PUSH のみで自走プログラムができないかも試みてみます。
これは結構難しく、できそうではあるけれどもう一歩のところでなかなかできません。
Z80 はレジスタは多いのですが、PUSH 対象のレジスタペア数は半減しそれほど多くないので 裏レジスタと AF レジスタペアまで利用しました。
AF レジスタペアを利用するにあたり、フラグレジスタの未使用ビットに値を設定できるのかを検索してみると「Z８０のフラグレジスタについて」がヒットしましたが回答は「～～の場合もありうる」という内容で質問に対する回答（できるかできないか）が書いてありません。
海外のネット情報では例えば「What is the purpose of the reserved/undefined bit in the flag register?」にあるように Z80 のフラグの未使用ビットには値を設定できる旨が書いてありました。
念のためにザイログ製の Z80 を使って下記のプログラムで確認してみた結果、出力は Ok だったのでフラグの未使用ビットも値を保持できることを確認できました。
| POP AF でのフラグの未使用ビットの値の確認（Z80アセンブラ） |
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今回のプログラムも自身のコードを上書きするのでディバッガでのステップ動作等は使えず、机上ディバッグメインで動かしました。通常のプログラムを組む時の思考とは違う考え方が必要なので結構大変でした。普通に考えると PUSH 対象のレジスタペアが足りないのでレフレックスラジオが一つのトランジスタを高周波と低周波で２回使うように二つのレジスタペアを２回づつ使っています。この共通コードができるようにし、レジスタの使用を節約するように調整するのが難しいパズルでした。
完成したソースを以下に示します。メモリ上の移動幅は究極の１バイトで、メモリを逆走します。このソースを見て机上で動作を追えるでしょうか？ PC と SP がクロスする部分の仕掛け等を堪能してください。
| 完成した自走プログラム３（Z80アセンブラ） |
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★追記 2024/01/28 {
コード生成に必要な PUSH 回数について考察してみると
- PUSH 命令（１バイト）で２バイトのメモリを設定できるので PUSH 命令１回につき１バイトのコードを生成できる
- 今回の自走プログラムでは先頭の LD SP,HL と DEC HL の２バイトと末尾の JR xx と NOP の３バイト及び前進するための伸長分の１バイトの合計６バイトのコード生成が必要となる
- PUSH 用に使用できるレジスタペアが AF BC DE の３つ（HL レジスタはスタック再設定用に使用）では不足するので更に３つの裏レジスタペアを使用する必要がある
- 裏レジスタを使用するためには EXX を２回実行する必要があり、必要コードにこの２バイトを加えると８バイトのコード生成（８回の PUSH）が必要となる
しかし、生成コードの中には順番を逆転できない制約がある部分があり、今回の自走プログラムはかなり厳しい条件の中で辛うじて達成できたと言えると思います。
}
前回の記事と同様に自作の Z80 ボードである Z80GalCompact を使って動作確認してみました。
今回作成した自走プログラムは runcode3 で実行後にリセットし、メモリ上に残っているプログラムのコードを GAME 言語で作成したサーチプログラムで探しています。
| Z80GalCompact での自走プログラム３の検証時のログ |
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X（旧Twitter）で教えてもらったメモリの全空間が RAM で メモリ上に VRAM をアサインできる MZ-2200 のエミュレータで自走プログラムが VRAM 上を通る時の画面キャプチャを貼っておきます。
| EmyuZ-2200 エミュレータでの自走プログラム２表示 |
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★追記 2024/01/27
EmyuZ-2200 エミュレータのディバッガは RST 命令を使用したソフトウェアディバッガよりも ICE に近いので実行命令直下のメモリを書き換えてもステップ動作が行えたり、スタック直下のメモリを壊したりしません。
今後ディバッグに活用する場面がありそうで有用なソフトを公開された作者の方に感謝です。
しかし、上記の自走プログラムで使用しなかったのは奇妙な動きがあったからです。改めて動作を確認してみましたので記録しておきます。
EmyuZ-2200 エミュレータのディバッガは RST 命令を使用したソフトウェアディバッガよりも ICE に近いので実行命令直下のメモリを書き換えてもステップ動作が行えたり、スタック直下のメモリを壊したりしません。
今後ディバッグに活用する場面がありそうで有用なソフトを公開された作者の方に感謝です。
しかし、上記の自走プログラムで使用しなかったのは奇妙な動きがあったからです。改めて動作を確認してみましたので記録しておきます。
下記の例では PUSH 命令によって PUSH 命令自身を書き換えています。
| PUSH 命令による自己書き換えプログラム |
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以下がステップ動作時の画面表示です。「done 00000009 PUSH HL」と表示されずに「done 00000009 INC A」と表示されていますね。Aregはゼロのままでメモリは HL の値に書き換わっているので実際は PUSH HL を実行し、done 表示ではメモリから再読みこみして表示しているようです（つまり実行動作は問題なくて表示が違っているだけ）。極めてレアなケースなので通常の使用には問題ないと思われます。
| EmyuZ-2200 のディバッガでのステップ動作結果 |
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