摘 要 COMET虛擬機是一種為了教學(xué)目的而定義的虛擬機，其結(jié)構(gòu)雖然簡單，但功能完備，可作為一種教學(xué)輔助工具，幫助大學(xué)本科學(xué)習(xí)計算機課程的學(xué)生更好地理解現(xiàn)在計算機的結(jié)構(gòu)和工作原理。作者基于原有COMET虛擬機定義，改進(jìn)并實現(xiàn)了一個功能相對完備的虛擬機。COMET虛擬機 的開發(fā)主要突出兩個原則：簡單性和可移植性。本文將對COMET虛擬機的開發(fā)細(xì)節(jié)做一個完整的描述。
關(guān)鍵詞 COMET虛擬機; 設(shè)計; 實現(xiàn)
1 引言
虛擬機就是一臺假想的機器。一臺虛擬機與一臺真實存在的計算機不同之處在于前者只是一個技術(shù)規(guī)范。虛擬機技術(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編程語言采用的就是虛擬機技術(shù)。虛擬機不僅有廣泛的商業(yè)應(yīng)用價值，同時也可作為一種很好的教學(xué)輔助工具。通過虛擬機，學(xué)生可以很好地學(xué)習(xí)理解計算機的結(jié)構(gòu)和工作原理。因此，設(shè)計并實現(xiàn)一個簡單的虛擬機有很好的教學(xué)意義[4，5]。
COMET虛擬機開始只是作為CASL匯編語言的運行平臺而設(shè)計，并由中國計算機軟件專業(yè)技術(shù)資格和水平考試大綱中給出的CASL匯編語言文本定義（下文將簡稱為文本）。作者在文本的基礎(chǔ)上，對COMET虛擬機的功能進(jìn)行了一定的改進(jìn)和擴充，并實現(xiàn)了一個功能完善的虛擬機實例[1]。
2 COMET虛擬機設(shè)計 2.1 邏輯結(jié)構(gòu)
圖1 COMET虛擬機結(jié)構(gòu)
COMET虛擬機是一臺基于寄存器模型結(jié)構(gòu)的計算機。COMET虛擬機系統(tǒng)主要包括三個部分：中央處理器（CPU）、存儲器和出入輸出設(shè)備。COMET計算機的邏輯結(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。寄存器在程序運行時存儲計算過程的各種信息；算術(shù)邏輯部件的功能是進(jìn)行所有的算術(shù)和邏輯運算。由于COMET計算機是虛擬的計算機，因此，它的控制邏輯對于我們是透明的[1，4，5]。
2.2 寄存器
COMET虛擬機有5個通用寄存器GR（16位），一個指令計數(shù)器PC（16位）和一個標(biāo)志寄存器FR（2位）。
GR（通用寄存器） 5個通用寄存器的編號為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)行的指令的第一個字的地址。當(dāng)指令執(zhí)行結(jié)束時，一般是把PC的內(nèi)容加上當(dāng)前指令的長度（不同指令的長度不同），只有在執(zhí)行轉(zhuǎn)移指令且條件成立時，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，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)）。它們不會因其他指令的執(zhí)行而改變。
2.3 存儲器
COMET虛擬機是一臺16位的定點計算機，主存儲器的基本存儲單位是字，總?cè)萘繛?5536（216=16k）字，各個字的地址按照0000-FFFF（十六進(jìn)制）編號。一個字的16位二進(jìn)制采用從左到右次序編號，如圖2所示。
圖2 字節(jié)順序
COMET虛擬機可以處理三種數(shù)據(jù)，即字符數(shù)據(jù)、帶符號整數(shù)、地址數(shù)據(jù)。字符數(shù)據(jù)采用16位的Unicode字符；帶符號整數(shù)采用二進(jìn)制補碼表示，可表示的數(shù)值范圍為[-215，215-1]；地址數(shù)據(jù)為無符號的整數(shù)，范圍是[0，216-1]。
在實現(xiàn)的COMET虛擬機中，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)行停機操作，占一個字長。MUL指令執(zhí)行乘法操作，操作規(guī)則和ADD等指令相似，占2個字長。SUB指令執(zhí)行除法操作，操作規(guī)則和ADD指令相似，占2個字長。MOD指令執(zhí)行取模操作，操作規(guī)則和ADD指令相似，占2個字長。
2.5 指令格式
COMET虛擬機機器指令一般包含三種信息：OP，GR，XR，ADR。其中OP為機器指令的編號，對應(yīng)第一個字的[0-7]位；GR為通用寄存器編號，對應(yīng)第一個字中的[8-11]位；XR為變址寄存器編號，對應(yīng)第一個字的[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)，對應(yīng)地二個字的[0-15]位。如果一個指令不含某種信息（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虛擬機的機器指令分為四種：寄存器-存儲器型，存儲器型，寄存器型，空操作數(shù)型。如果一個COMET虛擬機指令不涉及主存儲器操作（無ADR），則為1個字長，其他均為2個字長。
2.6 字節(jié)碼格式
字節(jié)碼文件是COMET虛擬機的可執(zhí)行文件。在啟動虛擬機時，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度、裝載位置、程序指令等信息。虛擬機依據(jù)這些信息，將字節(jié)碼中的指令從二級存儲器裝載到相應(yīng)的虛擬機內(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)碼在虛擬機內(nèi)存的裝載地址，len為字節(jié)碼中指令的個數(shù)（不包含len和addr），ins1、ins2、…、insn為要載入虛擬機的指令。
2.7 輸入輸出設(shè)備
文本中并沒有明確定義COMET虛擬機的輸入輸出設(shè)備，只是給出IN、OUT幾個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虛擬機輸入輸出設(shè)備的兩個專用寄存器為：IO_ADDR、IO_FLAG，分別對應(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)的個數(shù)(0表示無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錯誤時設(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)試器是一個內(nèi)嵌在虛擬機里的機器級的調(diào)試器。當(dāng)需要調(diào)試一個COMET虛擬機的程序時，只需要在啟動COMET虛擬機的時給出相應(yīng)的命令參數(shù)就啟動調(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）。每個調(diào)試命令的具體用法可以參考COMET虛擬機的幫助文件。
3 COMET虛擬機實現(xiàn) 3.1 虛擬機數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
struct comet
{
off_t pc;
short fr;
short gr[5];
short mem[MEMSIZE];
} cmt;
虛擬機結(jié)構(gòu)變量cmt是一個全局變量，成員分別為：指令計數(shù)器（pc）、標(biāo)志寄存器（fr）、通用寄存器（gr）、存儲器（mem）。將cmt設(shè)計為全局變量的優(yōu)點是個函數(shù)不用傳遞復(fù)雜的結(jié)構(gòu)體參數(shù)，缺點是每個進(jìn)程同時只能有一個虛擬機實例。
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虛擬機并裝載字節(jié)碼，如果發(fā)生錯誤則停止。然后根據(jù)調(diào)試器狀態(tài)，選擇運行虛擬機的方式。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)下運行COMET虛擬機。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)計比較簡單，也存在很多不足。例如，沒有標(biāo)志文件格式的魔數(shù)，沒有更完善的錯誤檢測措施。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單的實現(xiàn)[1，2，4]。
3.4 指令解析
指令的解析一般包含這個幾個過程：取指令，解碼，執(zhí)行。其中解碼對虛擬機的執(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，其對應(yīng)的機器碼為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虛擬機在解析每個指令前，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虛擬機之上的。當(dāng)沒有打開調(diào)試功能時，循環(huán)執(zhí)行COMET虛擬機字節(jié)碼程序，直到停止。當(dāng)打開了調(diào)試功能時，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，并顯示虛擬機狀當(dāng)前的狀態(tài)信息。
4 運行虛擬機
下面通過一個求（1 + 2 + … + n）的程序，來介紹其在COMET虛擬機上的執(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 普通運行
輸入命令：comet sum
在COMET虛擬機獲得sum參數(shù)后，會自動識別為sum.comet字節(jié)碼文件。
輸入100，表示求1+2+…+100的和。
COMET虛擬機輸出：
===============
COMET虛擬計算機
===============
100
5050[root@knuth /root]#
表示1+2+…+100等于5050，結(jié)果正確。
4.2 調(diào)試運行
輸入命令：comet –d sum
===============
COMET虛擬計算機
===============
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虛擬機內(nèi)嵌的調(diào)試器功能非常強大，熟練掌握后對COMET虛擬機的程序開發(fā)會有很大的幫助。調(diào)試命令細(xì)節(jié)可以通過幫助命令help獲得。
5 結(jié)語
本文給出了COMET虛擬機的硬件設(shè)計方案。該方案闡述了虛擬機各個基本部分的詳細(xì)設(shè)計思路及需要注意的問題。目前已經(jīng)實現(xiàn)了COMET虛擬機、CASL匯編器和TINY編譯器。我們將基于COMET虛擬機開發(fā)一個小型的文件系統(tǒng)，使得其應(yīng)用于實際教學(xué)任務(wù)[1，4，5]。
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