Vom Byte zum 3D-Labyrinth

1. Worum es geht

Zur CPU Sandbox gehören 26 Beispielprogramme, von der Addition zweier Zahlen bis zu Spielen und Grafikeffekten. Alles, was auf dem Bildschirm erscheint, berechnet die simulierte Maschine selbst, Pixel für Pixel, ohne versteckte Grafikbefehle.

Im Bild läuft 25-raycaster.c, ein Labyrinth im Stil von Wolfenstein 3D, ganz ohne Gleitkommazahlen. In den Beispielen steckt noch viel mehr; jedes Bild hier ist der Bildschirm eines Beispielprogramms:

Du arbeitest mit zwei Git-Repositories. Im Workspace ist ~ dein Ordner /workspace.

Die Karten auf dieser Seite schauen in deinem Workspace nach und sagen dir, was sie finden. Sie ändern nichts.

2. Einrichten

Einmalig: Zugang zu GitLab

ls ~/.ssh/id_ed25519.pub

ssh-keygen -t ed25519 -C "Vorname Nachname"

cat ~/.ssh/id_ed25519.pub

ssh -T git@git.nhcham.org

git config --global user.name "Vorname Nachname"
git config --global user.email "deine.mail@example.org"

Einmalig: Klonen

Klone die App in dein Home-Verzeichnis:

cd ~

git clone https://github.com/specht/cpu-sandbox.git

Wechsle in ihren Ordner und klone dort das Klassen-Repository:

cd cpu-sandbox

git clone git@git.nhcham.org:specht/cpu-sandbox-programs-2026.git programs

Das Klassen-Repository muss in der App liegen und genau programs heißen. Gibt es programs/ schon, klone es nicht noch einmal und lösche nichts, sondern frag nach.

3. Arbeiten

Die App starten

Starte die App in einem Terminal und lass es offen. Für Git öffnest du ein zweites Terminal.

cd ~/cpu-sandbox
./run

Ein neues Programm legst du in der App mit + neben der Programmauswahl an. Gib als Student folder deinen Ordnernamen an, zum Beispiel anna, dann einen Dateinamen, die Sprache und die CPU. Das Programm entsteht in programs/DEIN_NAME/.

Drei Ausbaustufen, eine Befehlssprache

Die MiniCPU gibt es in drei Stufen. Jede behält alles von der vorherigen und fügt genau eine Idee hinzu, sodass du nichts umlernen musst:

Die Schreibweise ist einheitlich: Das Ziel steht immer vorne, und eckige Klammern bedeuten immer »der Speicher an«. LDI A, 0x70 lädt die Zahl 0x70, LDA A, [0x70] das Byte, das an Adresse 0x70 steht. Wer sich vertut, bekommt eine Fehlermeldung, die genau diesen Unterschied erklärt. So sieht eine erste Schleife aus:

        LDI A, 5
        LDI B, 0
loop:   ADD B, A
        DEC A
        JNZ loop
        HLT

In einen Befehl hineinsehen

Step führt einen Befehl aus, Step back nimmt ihn zurück. Neben jeder Quelltextzeile stehen Adresse und Maschinenbytes; geänderte Speicherzellen leuchten auf. Im Modus Cycles geht es noch eine Ebene tiefer: Jeder Klick ist ein Takt. Du siehst, wie der Opcode geholt und dekodiert wird, wie Operanden gelesen werden, was auf Adress- und Datenbus liegt und wann gesprungen wird.

Ein paar Dinge, die du in der Sandbox fast von selbst entdeckst:

• Es gibt nur einen Speicher. Bildschirm und Stack sind einfach Bereiche darin, und ein Schreibzugriff an die falsche Adresse kann das Programm selbst verändern. Das Beispiel 05-self-modifying macht das sogar absichtlich.
• Ein Label ist die Adresse eines Bytes, keine Zeilennummer.
• 8-Bit-Arithmetik läuft über: 255 + 1 ergibt 0, und das Carry-Flag ist gesetzt.
• Zeit kosten Takte, nicht Zeilen.

Von Assembler zu C

Ab MiniCPU 8S kannst du Programme auch in MiniC schreiben, einer kleinen Variante von C, die schon beim Tippen übersetzt wird. Versteckt wird dabei nichts: Neben jeder C-Zeile stehen ihre Maschinenbytes, und der Reiter Assembly zeigt das erzeugte Programm. Du siehst, dass lokale Variablen auf dem Stack liegen, wie ein Funktionsaufruf sein Argument übergibt und wie das Ergebnis zurückkommt.

Der Würfel aus 18-cube.c nutzt eine Sinustabelle in Festkommaarithmetik, Perspektive, das Ausblenden verdeckter Flächen, Schattierung und Seitenwechsel (page flipping) gegen Flackern, und die Füllroutine ist von Hand in Assembler geschrieben.

Aufgaben, die sich selbst prüfen

Sechzehn Aufgaben prüfen sich selbst: vom Addieren zweier Bytes über Fibonacci, Multiplikation und Sortieren bis zu einem Schachbrettmuster, dazu Aufgaben speziell für C wie Fakultät, größter gemeinsamer Teiler, Primzahlsieb und Linienzeichnen. + legt ein Programm zu einer Aufgabe an, Check führt alle Testfälle aus und erklärt Fehler wie »0x82 should be 7, but it is 8«, und Try it lädt einen Testfall in die Maschine, damit du ihn Schritt für Schritt verfolgst.

Class progress sammelt die funktionierenden Lösungen der Klasse und sortiert sie nach Takten; das kleinste Programm in Bytes wird zusätzlich markiert. Wer schafft es mit weniger Takten? Wer mit weniger Bytes? Und geht beides gleichzeitig?

Besonders lehrreich ist es, dieselbe Aufgabe zweimal zu lösen, einmal in Assembler und einmal in C. Mit geradlinigen Lösungen ergibt sich etwa:

Mehr zur App steht in ihrer Anleitung, alle Aufgaben in der Aufgabenliste.

4. Veröffentlichen

Deine Lehrkraft sieht deine Programme erst, wenn sie committet und gepusht sind. Das machst du im Ordner programs, nicht im Ordner der App:

cd ~/cpu-sandbox/programs
git pull
git add DEIN_NAME/
git commit -m "Aufgabe add von DEIN_NAME"
git push

git pull
git push

5. Beim nächsten Mal

cd ~/cpu-sandbox && git pull
cd programs && git pull
cd .. && ./run

Und am Ende der Stunde: Aufgabe 5 noch einmal prüfen.