6502 アセンブラ プログラミング入門

概要: この記事では 8ビット CPU 6502 を 使ったアセンブラプログラミングを紹介する。 「アセンブラプログラミング」とは、プログラミング言語を使わず、 CPU のネイティブ命令列を直接書くプログラミング方法である。 6502 はいまから約50年前に開発され、 ファミコンや Apple II など多くのハードウェアで利用された。 しかし、その原理は今日のコンピュータとほとんど変わっていない。 ここでは 6502 のプログラミングを通して、コンピュータの本質を学ぶ。

1. 6502 プログラミング入門
   • コンピュータの原理
   • レジスタとは
   • 16進数とは
2. 6502エミュレータを使った演習
   • メモリに値を格納する
   • メモリの値を増加させながらループする
3. アセンブラを使ったプログラミング
   • 最初のプログラム (改良版)
   • アセンブラを使ったジャンプ命令
   • 差分アドレッシング
   • 条件分岐
   • 条件分岐 その2
4. 16ビットの値を計算する
   • 16ビット値を使った画面書き換え
5. ファミコン (NES) と 6502
6. 現代のコンピュータとの違い
   • オペレーティングシステム (OS) とは何か?

1. 6502 プログラミング入門

1.1. コンピュータの原理

1. 入力装置 … マウス、キーボードなど。
2. 出力装置 … 画面、スピーカなど。
3. 記憶装置 … メモリ、ハードディスクなど。
4. 演算装置 … プログラムの実行をおこなう中心部分 (CPU)。

本日使う CPU (のエミュレータ): MOS 6502

• 1975年に開発された原始的な CPU。
• ファミコンや Apple II など初期のパソコンに使われていた。
• 価格は $100 程度で、当時としては破格に安かった。

機械語 (machine language): Python や JavaScript のような現代的なプログラミング言語とは違い、 文字ではなく数値 (命令語) の列によって表現する。

6502 の機能:

• 使える変数は 3つ (A, X, Y) だけ。 変数に入れられるのは 8ビットの値 (0〜255) まで。
• 使えるメモリは最大 65536バイトである。 各要素には 8ビットの値を入れることができる。
• 足し算、引き算、メモリ上の値のコピー、条件分岐、繰り返し処理が可能。

CPU にある特別な変数: PC (プログラム・カウンタ)

• 次に記憶装置上のどの命令語を実行するかの位置を示している。
• 命令語を実行するたびに増える。
• CPU は「PC に書かれている命令語を読んでは実行」を永久にくりかえす。

// メモリの内容 (65536要素の配列)
MEMORY = [0, 0, 0, 0, 0, ... ]
// PCは現在実行する命令の位置。
PC = 0

// 以下を永久にくり返す。
while (true) {
    // 現在の命令を調べる。
    command = MEMORY[PC]
    if (command == 1) {
        A = A + 1  // 変数 A に1を足す。
    } else if (command == 2) {
        A = A - 1  // 変数 A から1を引く。
    } else if
        ...
    }
    // 次の命令を実行。
    PC = PC + 1
}

1.2. レジスタとは

レジスタ (register): CPU における変数のこと。

6502 に装備されているレジスタ:

1.3. 16進数とは

• 現代のコンピュータでは、すべての情報は 2進数のビットで表現される。
• ただし 2進数はそのまま表記すると長いので、16進数 (Hexadecimal, 通称Hex) を使うことが多い。
• 16進数 = 1ケタの文字で 4ビット (=16種類) の数を表す。

2. 6502エミュレータを使う

http://visual6502.org/ は本物の 6502 の電子回路の動きをブラウザ上で仮想的に再現するエミュレータである。

• 赤色の部分 ( ) は、 +5V の電圧がかかっていることを示す。
• 緑色の部分 ( ) は、 0V の電圧がかかっている (接地) ことを示す。
• 黄色の部分 ( ) は、 中間的な電圧がかかっていることを示す。

2.1. メモリに値を格納する

最初のプログラムとして、メモリ上のある位置に数値を格納する処理をやってみる。

0000: A9 01     ; LDA #$01 - Aレジスタに $01 を格納。
0002: 95 10     ; STA $10  - Aレジスタの値をメモリの $10 番地に格納。
0004: 00        ; BRK      - CPUの停止。

• 右側の「LDA #$01」など … アセンブリ表記。 命令語を人間がわかりやすいように書いたもの。 $XX は 16進数表記。
• メモリ上の位置は、番地 または アドレス (address) と呼ばれる。

プログラムは、メモリ上の 16進数が書かれている部分を ダブルクリックして直接入力する。

上のプログラムは、JavaScript でいえば以下のような処理に等しい:

A = 1             // LDA #$01
MEMORY[0x10] = A  // STA $10

(JavaScript では、0x64 や 0b1111 などと書けば 16進数・2進数 → 10進数に変換できる)

2.2. メモリの値を増加させながらループする

次に足し算命令 ADC命令 とジャンプ命令 JMP を使ってみる。

0000: A9 01
0002: 95 10
0004: 69 02     ; ADC #$02 - Aレジスタに $02 を足す。
0006: 4C 02 00  ; JMP $0002 - $0002番地の命令にジャンプする。

「ジャンプ命令」を命令を実行すると、CPU は PC レジスタの値を書き換える。 つまり、指定されたアドレスの命令から実行できる。

JavaScript でいえば、以下のような処理に(ほぼ)等しい:

A = 1                 // LDA #$01
while (true) {
    MEMORY[0x10] = A  // STA $10
    A = A + 2         // ADC #$02
}

3. アセンブラを使ったプログラム

6502 には数百種類の命令がある:

• 6502 命令表 (1)
• 6502 命令表 (2)

いちいち命令語の数値を調べるのは面倒くさいので、 ここでは アセンブラ (assembler) というものを使う。

• アセンブラ … 命令語をアセンブリ表記で入力すると、 自動的に機械語の数値列に変換するソフトウェア。

3.1. 最初のプログラム (改良版)

1. 別のサイト http://6502asm.com を開く。
2. 以下のプログラムを入力する。
3. Compile ボタンを押して、機械語に変換する。
4. Run ボタンを押して実行する。
5. Reset ボタンを押して止める。

LDA #$01
STA $0200

アセンブラではさらに、以下のような表記の決まりがある:

• #$01 … $01 という値そのもの。
• $0200 … $0200 という「メモリ上のアドレスに入っている」値。

このエミュレータでは、 メモリ上の $0200 〜 $05ff の範囲が 画面の各ピクセルと連結している。 ここに値を格納すると、それが実際に画面に表示される。 つまり、ここではメモリへの書き込みが出力装置も兼ねている。 コンピュータにとって、画面やハードディスク (記憶装置) は、 どれもただの巨大な配列でしかない。

3.2. アセンブラを使ったジャンプ命令

アセンブラを使うと、プログラム中のアドレスとしてラベルを使うことができ、 命令語のバイト数を考える必要がない。

    LDA #$01
loop:           ; ラベル "loop" をここに設定。
    STA $0200
    ADC #$02
    JMP loop    ; "loop" のアドレスにジャンプする。

注意: ラベル (loop:) 自体はただプログラム中の位置を表すもので、実際の命令ではない。

3.3. 差分アドレッシング

差分アドレッシングという機能を使うと、 メモリ上の可変の位置のデータを読み書きできる。

    LDA #$01
    LDX #$00     ; Xレジスタに $00 を格納。
loop:
    STA $0200,X  ; Aレジスタの値を ($0200+X) の位置に格納。
    ADC #$02
    INX          ; Xレジスタの値を 1だけ増やす。
    JMP loop

以下、JavaScript 相当の処理:

A = 1                     // LDA #$01
X = 0                     // LDX #$00
while (true) {
    MEMORY[0x0200+X] = A  // STA $0200,X
    A = A + 2             // ADC #$02
    X = X + 1             // INX
}

3.4. 条件分岐

「画面の特定の場所のみ、色を変える」にはどうするか?

    LDX #$00
loop:
    CPX #$10     ; Xレジスタの値を $10 と比較。
    BEQ on       ; 等しければ、on に分岐する。
    JMP off      ; 等しくなければ、off に分岐する。
on:
    LDA #$01
    JMP put
off:
    LDA #$02
put:
    STA $0200,X
    INX
    JMP loop

6502 では、比較・演算命令 (ADC, CPX, INX など) の結果によって 内部のフラグ (flag) が変化する。

• フラグ … 1ビットの特殊な変数で、 直前の計算によって生じた変化を記憶している。
• Z (ゼロ) フラグ … 計算結果がゼロになった場合に 1 になる。 そうでない場合は 0 になる。
• C (キャリー) フラグ … 計算結果、桁あふれ (または借り入れ) が発生した場合に 1 になる (たとえば 255+1 など)。そうでない場合は 0 になる。

CPX命令は実際には何も計算してないように見えるが、 内部的には 2つの数の引き算をおこなっている。これによって、 2つの数が等しいときに結果が 0 になり、結果として Zフラグが 1 になる。

JavaScript 相当の処理:

X = 0                     // LDX #$00
while (true) {
    if (X == 0x10) {      // CPX #$10, BEQ on
        A = 1             // LDA #$01
    } else {
        A = 2             // LDA #$01
    }
    MEMORY[0x0200+X] = A  // STA $0200,X
    X = X + 1             // INX
}

3.5. 条件分岐 その2

上の条件分岐は、以下のようにも書ける:

    LDX #$00
loop:
    LDA #$02
    CPX #$10
    BNE put      ; 等しくなければ、put に分岐する。
    LDA #$01
put:
    STA $0200,X
    INX
    JMP loop

4. 16ビットの値を計算する

MOS 6502 ではほとんどの計算は 8ビットでしかできないが、 工夫することで 16ビットの計算が可能である。じつは "ADC" 命令は 与えられた数に加えて C フラグの値も加える ようにできており、 これを使って 8ビットの数を 2回に分けて計算する。

CLC        ; Cフラグをクリアする。
LDA $30    ; メモリ$30番地の値を Aレジスタに読み込む。
ADC #$01   ; A = A + 1 + 0
STA $30    ; Aレジスタの値をメモリ $30番地に書き込む。
LDA $31    ; メモリ$31番地の値を Aレジスタに読み込む。
ADC #$00   ; A = A + 0 + C
STA $31    ; Aレジスタの値をメモリ $31番地に書き込む。

4.1. 16ビット値を使った画面書き換え

以上のテクニックと以下の「間接差分アドレッシング」を組み合わせると、 256バイト (=8ビット) 以上のメモリ領域にアクセスできる。 つまり、画面のより広い領域に描画できるようになる。

    LDA #$00
    STA $30
    LDA #$02
    STA $31
loop:
    LDX #$00
    LDA #$01
    STA ($30,X)  ; A をメモリ ($30+X) 番地に書かれている番地に書き込む。
    ???          ; 16ビットの加算をおこなう
    ...
    JMP loop

5. ファミコン (NES) と 6502

ファミリーコンピュータ (Nintendo Entertainment System、ファミコン) は 1983年に任天堂から発売されたゲーム機である。

• CPU として、リコー製の 6502 改造版 (廉価版) を使用。
• メモリはわずか 2KB。
• 画面処理のための PPU (Picture Processing Unit) を搭載。
• 表示可能な領域は 256×240ピクセル。

ファミコンのハードウェアはかなり複雑で、 画面表示には CPU が PPU と通信する必要がある。 また、初期のゲームは最大 32KB までに制限されていた。 「スーパーマリオブラザーズ」もプログラム・ グラフィックス・音楽等込みで32KB の領域に収まっている。

• 「スーパーマリオブラザーズ」の機械語を解析 (逆アセンブル) したソースコード

ファミコンのアドレス構造

6. 現代のコンピュータとの違い

現代の 最新鋭の演算装置でも、 基本的にやっていることは変わらない。ただ量は増えている。

他にも、現代のPC (サーバ、スマートフォン等) は以下のような違いがある:

• もはや6502はCPUとして使われておらず、おもに以下の2種類のCPUが使われている:
• x64 (amd64)
• arm64
• プログラムが「むきだしの」ハードウェアに直接アクセスすることはほとんどなく、ほぼすべてオペレーティングシステム (OS) を介している。
• 入出力装置として「ネットワーク」が大きな位置を占めている。(デバイスによっては、それが唯一の入出力装置の場合もある)

現在、コンパイルされた「バイナリ」や「Docker イメージ」などと呼ばれているものの実体は すべてこれらのCPU用に書かれた機械語の命令列である。

6.1. オペレーティングシステム (OS) とは何か?

現在のコンピュータでは、一般人が上で示したような プログラムを書く必要はない。文字表示やファイル処理など非常に基本的な部分は、 「オペレーティングシステム (OS, 基本ソフトウェア)」として 最初からPCと一緒に提供されているためである。

また、OS は多くの仮想化処理を実現している。

OS によって作り出されている見せかけの例

• アニメーション … 一定時間おきに画像を何度も書き直す (コピーしなおす)。
• ファイルとフォルダ … 実際にはディスクはただの配列なので、 「ファイル」「フォルダ」などというものは本来存在しない。
• ディスクの「空き容量」 … ディスクは実際には物理的な媒体であり、その容量は増えも減りもしない。
• 複数アプリの同時並列処理 … 実際には、コンピュータが実行できるのは一度にひとつのプログラムだけである (注: 最近のマルチコアのCPUを除く)。

結局のところ、コンピュータはみな非常に単純な原理で動いている。 これをソフトウェアの力で複雑な処理をしているように見せかけているのが、 現代のコンピュータである。