COMET虛擬機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1  引言

虛擬機(jī)就是一臺(tái)假想的機(jī)器。一臺(tái)虛擬機(jī)與一臺(tái)真實(shí)存在的計(jì)算機(jī)不同之處在于前者只是一個(gè)技術(shù)規(guī)范。虛擬機(jī)技術(shù)從很早就開始研究，并且在軟件技術(shù)中廣為應(yīng)用。目前，高度可移植的JAVA編程語(yǔ)言采用的就是虛擬機(jī)技術(shù)。虛擬機(jī)不僅有廣泛的商業(yè)應(yīng)用價(jià)值，同時(shí)也可作為一種很好的教學(xué)輔助工具。通過虛擬機(jī)，學(xué)生可以很好地學(xué)習(xí)理解計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理。因此，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的虛擬機(jī)有很好的教學(xué)意義[4，5]。

COMET虛擬機(jī)開始只是作為CASL匯編語(yǔ)言的運(yùn)行平臺(tái)而設(shè)計(jì)，并由中國(guó)計(jì)算機(jī)軟件專業(yè)技術(shù)資格和水平考試大綱中給出的CASL匯編語(yǔ)言文本定義（下文將簡(jiǎn)稱為文本）。作者在文本的基礎(chǔ)上，對(duì)COMET虛擬機(jī)的功能進(jìn)行了一定的改進(jìn)和擴(kuò)充，并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)功能完善的虛擬機(jī)實(shí)例[1]。

2  COMET虛擬機(jī)設(shè)計(jì) 2.1 邏輯結(jié)構(gòu)

圖1 COMET虛擬機(jī)結(jié)構(gòu)

COMET虛擬機(jī)是一臺(tái)基于寄存器模型結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)。COMET虛擬機(jī)系統(tǒng)主要包括三個(gè)部分：中央處理器（CPU）、存儲(chǔ)器和出入輸出設(shè)備。COMET計(jì)算機(jī)的邏輯結(jié)構(gòu)如圖1所示。

CPU是由寄存器、算術(shù)邏輯部件和控制邏輯組成。寄存器在程序運(yùn)行時(shí)存儲(chǔ)計(jì)算過程的各種信息；算術(shù)邏輯部件的功能是進(jìn)行所有的算術(shù)和邏輯運(yùn)算。由于COMET計(jì)算機(jī)是虛擬的計(jì)算機(jī)，因此，它的控制邏輯對(duì)于我們是透明的[1，4，5]。

2.2 寄存器

COMET虛擬機(jī)有5個(gè)通用寄存器GR（16位），一個(gè)指令計(jì)數(shù)器PC（16位）和一個(gè)標(biāo)志寄存器FR（2位）。

GR（通用寄存器） 5個(gè)通用寄存器的編號(hào)為0、1、2、3、4，分別記為GR0、GR1、GR2、GR3、GR4。這些通用寄存器用于算術(shù)、邏輯、移位等運(yùn)算，其中GR1、GR2、GR3、GR4通用寄存器兼做變址寄存器。另外，GR4還兼做棧指針（SP）用，棧指針是存放棧頂?shù)刂酚玫募拇嫫鳌?/p>

PC（指令計(jì)數(shù)器） 在執(zhí)行指令的過程中，PC中存放著正在執(zhí)行的指令的第一個(gè)字的地址。當(dāng)指令執(zhí)行結(jié)束時(shí)，一般是把PC的內(nèi)容加上當(dāng)前指令的長(zhǎng)度（不同指令的長(zhǎng)度不同），只有在執(zhí)行轉(zhuǎn)移指令且條件成立時(shí)，才將轉(zhuǎn)移指令地址置入PC中。

FR（標(biāo)志寄存器） 在ADD、SUB、MUL、DIV、MOD、AND、OR、EOR、CPA、CPL、SLA、SRA、SLL、SRL、LEA等指令執(zhí)行結(jié)束時(shí)，根據(jù)執(zhí)行的結(jié)果，將FR設(shè)置成00、01或10（大于、等于、小于或負(fù)數(shù)、零、正數(shù)）。它們不會(huì)因其他指令的執(zhí)行而改變。

2.3 存儲(chǔ)器

COMET虛擬機(jī)是一臺(tái)16位的定點(diǎn)計(jì)算機(jī)，主存儲(chǔ)器的基本存儲(chǔ)單位是字，總?cè)萘繛?5536（216=16k）字，各個(gè)字的地址按照0000-FFFF（十六進(jìn)制）編號(hào)。一個(gè)字的16位二進(jìn)制采用從左到右次序編號(hào)，如圖2所示。

圖2 字節(jié)順序

COMET虛擬機(jī)可以處理三種數(shù)據(jù)，即字符數(shù)據(jù)、帶符號(hào)整數(shù)、地址數(shù)據(jù)。字符數(shù)據(jù)采用16位的Unicode字符；帶符號(hào)整數(shù)采用二進(jìn)制補(bǔ)碼表示，可表示的數(shù)值范圍為[-215，215-1]；地址數(shù)據(jù)為無(wú)符號(hào)的整數(shù)，范圍是[0，216-1]。

在實(shí)現(xiàn)的COMET虛擬機(jī)中，內(nèi)存的高1k字保留用于各種專用的外設(shè)寄存器[1，3]。

2.4 指令系統(tǒng)

COMET虛擬機(jī)和文本相比，新增加了HALT、MUL、SUB、MOD四條指令。下面只給出HALT、MUL、SUB、MOD四條指令的說明，其他的指令可以參考文本。

HALT指令執(zhí)行停機(jī)操作，占一個(gè)字長(zhǎng)。MUL指令執(zhí)行乘法操作，操作規(guī)則和ADD等指令相似，占2個(gè)字長(zhǎng)。SUB指令執(zhí)行除法操作，操作規(guī)則和ADD指令相似，占2個(gè)字長(zhǎng)。MOD指令執(zhí)行取模操作，操作規(guī)則和ADD指令相似，占2個(gè)字長(zhǎng)。

2.5 指令格式

COMET虛擬機(jī)機(jī)器指令一般包含三種信息：OP，GR，XR，ADR。其中OP為機(jī)器指令的編號(hào)，對(duì)應(yīng)第一個(gè)字的[0-7]位；GR為通用寄存器編號(hào)，對(duì)應(yīng)第一個(gè)字中的[8-11]位；XR為變址寄存器編號(hào)，對(duì)應(yīng)第一個(gè)字的[12-15]位，[12-15]位為0表示沒有變址（GR0不能作為變址寄存器）；ADR為操作數(shù)，對(duì)應(yīng)地二個(gè)字的[0-15]位。如果一個(gè)指令不含某種信息（例如，沒有ADR），則忽律該字段。OP、GR、XR、ADR的存儲(chǔ)細(xì)節(jié)如圖3所示。

圖3 指令格式

根據(jù)指令操作數(shù)據(jù)的類型的不同，可將COMET虛擬機(jī)的機(jī)器指令分為四種：寄存器-存儲(chǔ)器型，存儲(chǔ)器型，寄存器型，空操作數(shù)型。如果一個(gè)COMET虛擬機(jī)指令不涉及主存儲(chǔ)器操作（無(wú)ADR），則為1個(gè)字長(zhǎng)，其他均為2個(gè)字長(zhǎng)。

2.6 字節(jié)碼格式

字節(jié)碼文件是COMET虛擬機(jī)的可執(zhí)行文件。在啟動(dòng)虛擬機(jī)時(shí)，由命令行中的參數(shù)給出字節(jié)碼文件名。字節(jié)碼文件含有程序的長(zhǎng)度、裝載位置、程序指令等信息。虛擬機(jī)依據(jù)這些信息，將字節(jié)碼中的指令從二級(jí)存儲(chǔ)器裝載到相應(yīng)的虛擬機(jī)內(nèi)存。這一系列操作和操作系統(tǒng)的程序加載器的工作情況類似[4]。

COMET虛擬機(jī)的字節(jié)碼文件是一種二進(jìn)制格式文件，格式如圖4所示。

圖4 字節(jié)碼結(jié)構(gòu)

其中addr為字節(jié)碼在虛擬機(jī)內(nèi)存的裝載地址，len為字節(jié)碼中指令的個(gè)數(shù)（不包含len和addr），ins1、ins2、…、insn為要載入虛擬機(jī)的指令。

2.7 輸入輸出設(shè)備

文本中并沒有明確定義COMET虛擬機(jī)的輸入輸出設(shè)備，只是給出IN、OUT幾個(gè)IO操作宏指令。在這里，我們采用將外部設(shè)備寄存器在內(nèi)存中統(tǒng)一編址的方法來處理輸入和輸出設(shè)備[1，3]。

COMET虛擬機(jī)默認(rèn)的I/O設(shè)備是鍵盤和顯示器。利用操作系統(tǒng)提供的從定向功能用戶也可以將它們重新定向到其他的設(shè)備。

COMET虛擬機(jī)輸入輸出設(shè)備的兩個(gè)專用寄存器為：IO_ADDR、IO_FLAG，分別對(duì)應(yīng)0xFD100、xFD10地址內(nèi)存。IO_ADDR用于保存要傳輸數(shù)據(jù)的內(nèi)存地址；IO_FLAG為IO設(shè)備的標(biāo)志位，其8-15位是要傳輸數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)(0表示無(wú)IO)，7位表示輸入或輸出(1表示輸入，0為輸出)，6位在出現(xiàn)IO錯(cuò)誤時(shí)設(shè)置，3-5位為傳輸?shù)念愋?有字符、八進(jìn)制、十進(jìn)制、十六進(jìn)制等)，0-2位保留。

2.8  調(diào)試器

COMET調(diào)試器是一個(gè)內(nèi)嵌在虛擬機(jī)里的機(jī)器級(jí)的調(diào)試器。當(dāng)需要調(diào)試一個(gè)COMET虛擬機(jī)的程序時(shí)，只需要在啟動(dòng)COMET虛擬機(jī)的時(shí)給出相應(yīng)的命令參數(shù)就啟動(dòng)調(diào)試功能了[2，4]。

COMET調(diào)試器的基本功能有：顯示幫助（help），運(yùn)行程序直到停止（go），分步執(zhí)行（step n），跳轉(zhuǎn)程序（jump），顯示寄存器內(nèi)容（regs），顯示內(nèi)存數(shù)據(jù)（dMem），顯示內(nèi)存指令（iMem），修改內(nèi)存數(shù)據(jù)（alter），遍歷指令（trace），指令記數(shù)功能（print），重新裝載字節(jié)碼（clear），退出調(diào)試器（quit）。每個(gè)調(diào)試命令的具體用法可以參考COMET虛擬機(jī)的幫助文件。

3  COMET虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn) 3.1 虛擬機(jī)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

struct comet

{

off_t pc;

short fr;

short gr[5];

short mem[MEMSIZE];

} cmt;

虛擬機(jī)結(jié)構(gòu)變量cmt是一個(gè)全局變量，成員分別為：指令計(jì)數(shù)器（pc）、標(biāo)志寄存器（fr）、通用寄存器（gr）、存儲(chǔ)器（mem）。將cmt設(shè)計(jì)為全局變量的優(yōu)點(diǎn)是個(gè)函數(shù)不用傳遞復(fù)雜的結(jié)構(gòu)體參數(shù)，缺點(diǎn)是每個(gè)進(jìn)程同時(shí)只能有一個(gè)虛擬機(jī)實(shí)例。

3.2 主函數(shù)

int

main(int argc, char *argv[])

{

init(argc, argv);

if(debug) comet_debug();

else while(comet_step());

fclose(source);

return 0;

}

函數(shù)init首先初始化COMET虛擬機(jī)并裝載字節(jié)碼，如果發(fā)生錯(cuò)誤則停止。然后根據(jù)調(diào)試器狀態(tài)，選擇運(yùn)行虛擬機(jī)的方式。如果調(diào)試開關(guān)（debug）被設(shè)置，則調(diào)用comet_debug函數(shù)在調(diào)試狀態(tài)下運(yùn)行COMET虛擬機(jī)。如果沒有打開調(diào)試開關(guān)，則循環(huán)調(diào)用單步執(zhí)行函數(shù)comet_step，直到程序結(jié)束[1，2]。

3.3 字節(jié)碼載入

void

comet_load(void)

{

unsigned short n, flag[2];

fseek(source, 0, SEEK_SET);

n = fread(flag,

sizeof(off_t), 2, source);

n = fread(&cmt.mem[flag[0]],

sizeof(off_t),tmp[1],source);

/* 其他處理代碼 */

}

變量n用于記錄讀取字節(jié)碼的數(shù)目，如果n小于相應(yīng)的值，則發(fā)生字節(jié)碼裝載錯(cuò)誤。變量flag用于保存字節(jié)碼裝載信息，分別字節(jié)碼裝載地址和字節(jié)碼大小。

COMET字節(jié)碼設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，也存在很多不足。例如，沒有標(biāo)志文件格式的魔數(shù)，沒有更完善的錯(cuò)誤檢測(cè)措施。我們的目的是讓讀者了解字節(jié)碼的工作原理，因此只給出了一種最簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)[1，2，4]。

3.4 指令解析

指令的解析一般包含這個(gè)幾個(gè)過程：取指令，解碼，執(zhí)行。其中解碼對(duì)虛擬機(jī)的執(zhí)行效率有很大的影響[5]。這里采用下標(biāo)索引技術(shù)來解碼指令。具體代碼如下：

void comet_ld(void);    /* LD指令*/

void comet_ld(void);    /*ST指令 */

void comet_ld(void);    /* LEA指令 */

/* 其他指令函數(shù)聲明 */

int comet_step(void)

{

static void (*comet_op)() = {

comet_ld, comet_st, comet_lea,

/* 其他指令執(zhí)行函數(shù)指針 */

};

/* 解析指令，存放在op中 */

short op = get_op();

/* 執(zhí)行op對(duì)應(yīng)的代碼 */

(*comet_op [op])();

/* 返回執(zhí)行狀態(tài) */

return val;

}

例如，有指令LEA，其對(duì)應(yīng)的機(jī)器碼為031，那么將通過函數(shù)指針數(shù)組comet_op直接定位到（*comet_op[031]）函數(shù)，即并執(zhí)行相應(yīng)的comet_lea函數(shù)。

3.5 輸入輸出設(shè)備

COMET虛擬機(jī)在解析每個(gè)指令前，先讀取IO設(shè)備狀態(tài)寄存器IO_FLAG中的值，如果IO_FLAG被設(shè)置，則執(zhí)行相應(yīng)的IO操作[3]。具體代碼如下：

void

comet_io(void)

{

switch(cmt.mem[IO_FLAG]&IO_TYPE)

{

case IO_NULL:

/* 無(wú)IO操作 */

case IO_OCT & IO_IN:

/* 八進(jìn)制輸入 */

case IO_DEC & IO_IN:

/* 十進(jìn)制輸入 */

case IO_HEX & IO_IN:

/* 十六進(jìn)制輸入 */

case IO_OCT & IO_OUT:

/* 八進(jìn)制輸出 */

case IO_DEC & IO_OUT:

/* 十進(jìn)制輸出 */

case IO_HEX & IO_OUT:

/* 十六進(jìn)制輸出 */

default:

/* 未知IO類型 */

}

/* 重置IO狀態(tài)寄存器IO_FLAG */

}

3.6 調(diào)試器

調(diào)試程序是建立和單步執(zhí)行的COMET虛擬機(jī)之上的。當(dāng)沒有打開調(diào)試功能時(shí)，循環(huán)執(zhí)行COMET虛擬機(jī)字節(jié)碼程序，直到停止。當(dāng)打開了調(diào)試功能時(shí)，調(diào)試函數(shù)debug根據(jù)調(diào)試命令，執(zhí)行相應(yīng)步的指令、顯示或操作相關(guān)的數(shù)據(jù)。

/* 各種調(diào)試命令 */

typedef enum

{

GO, STEP, JUMP, REGS,

IMEM, DMEM, ALTER,

TRACE, PRINT, CLEAR,

HELP, QUIT

} DbType;

/* 調(diào)試函數(shù) */

void

comet_debug(void)

{

int cmd;     /* 保存調(diào)試命令 */

while(1) {

/* 讀調(diào)試命令 */

switch(cmd) {

case HELP: /* 幫助文件 */

case GO  : /* 執(zhí)行程序 */

case STEP: /* 分步執(zhí)行 */

/* 其他調(diào)試命令 */

default  : /* 未知命令 */

}

}

}

調(diào)試函數(shù)comet_debug根據(jù)不同的調(diào)試命令執(zhí)行相應(yīng)的操作，并顯示虛擬機(jī)狀當(dāng)前的狀態(tài)信息。

4  運(yùn)行虛擬機(jī)

下面通過一個(gè)求（1 + 2 + … + n）的程序，來介紹其在COMET虛擬機(jī)上的執(zhí)行的流程。程序的字節(jié)碼由相關(guān)的工具生成，保存為sum.comet文件（后綴為comet）。

4.1 普通運(yùn)行

輸入命令：comet sum

在COMET虛擬機(jī)獲得sum參數(shù)后，會(huì)自動(dòng)識(shí)別為sum.comet字節(jié)碼文件。

輸入100，表示求1+2+…+100的和。

COMET虛擬機(jī)輸出：

===============

COMET虛擬計(jì)算機(jī)

===============

100

5050[root@knuth /root]#

表示1+2+…+100等于5050，結(jié)果正確。

4.2 調(diào)試運(yùn)行

輸入命令：comet –d sum

===============

COMET虛擬計(jì)算機(jī)

===============

調(diào)試 （幫助輸入 help）...

輸入命令: t

指令顯示功能打開

輸入命令: p

指令計(jì)數(shù)功能打開

輸入命令: r

顯示寄存器數(shù)據(jù)

GR[0] =    0    PC =    0

GR[1] =    0    SP = fc00

GR[2] =    0    FR =   01

GR[3] =    0

輸入命令: d

顯示內(nèi)存數(shù)據(jù)

mem[0   ] = 1200

輸入命令: i

顯示內(nèi)存指令

mem[0]: JMP  5

輸入命令:g

mem[0]: JMP  5

mem[5]: ST   GR0, fe00

mem[7]: PUSH fe00

mem[9]: LEA  GR0, 4

mem[b]: ST   GR0, fd10

mem[d]: LEA  GR0, c01

mem[f]: ST   GR0, fd11

mem[11]: POP  GR0

3

mem[12]: LD   GR0, 4

mem[14]: ST   GR0, 2

……

6mem[4f]: JMP 51

mem[51]: HALT

執(zhí)行指令數(shù)目 = 71

輸入命令: q

退出調(diào)試...

其中t、p、d、r、g分別是調(diào)試命令trace、print、dMem、regs、go的縮寫；3（mem[11  ]的下一行）是用戶輸入的數(shù)據(jù)，不是調(diào)試命令。6（mem[4f  ]行）表示1+2+3的和為6。

COMET虛擬機(jī)內(nèi)嵌的調(diào)試器功能非常強(qiáng)大，熟練掌握后對(duì)COMET虛擬機(jī)的程序開發(fā)會(huì)有很大的幫助。調(diào)試命令細(xì)節(jié)可以通過幫助命令help獲得。

5  結(jié)語(yǔ)

本文給出了COMET虛擬機(jī)的硬件設(shè)計(jì)方案。該方案闡述了虛擬機(jī)各個(gè)基本部分的詳細(xì)設(shè)計(jì)思路及需要注意的問題。目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了COMET虛擬機(jī)、CASL匯編器和TINY編譯器。我們將基于COMET虛擬機(jī)開發(fā)一個(gè)小型的文件系統(tǒng)，使得其應(yīng)用于實(shí)際教學(xué)任務(wù)[1，4，5]。

參考文獻(xiàn)

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