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

摘 要 COMET虛擬機(jī)是一種為了教學(xué)目的而定義的虛擬機(jī)，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(jì)算機(jī)課程的學(xué)生更好地理解現(xiàn)在計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理。作者基于原有COMET虛擬機(jī)定義，改進(jìn)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)功能相對(duì)完備的虛擬機(jī)。COMET虛擬機(jī) 的開發(fā)主要突出兩個(gè)原則：簡單性和可移植性。本文將對(duì)COMET虛擬機(jī)的開發(fā)細(xì)節(jié)做一個(gè)完整的描述。

關(guān)鍵詞 COMET虛擬機(jī); 設(shè)計(jì); 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匯編語言的運(yùn)行平臺(tái)而設(shè)計(jì)，并由中國計(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匯編語言文本定義（下文將簡稱為文本）。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(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。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。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。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。

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ADR），則為1個(gè)字長，其他均為2個(gè)字長。

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。