COMET虛擬機(jī)的設(shè)計與實現(xiàn)

2.8 調(diào)試器

COMET調(diào)試器是一個內(nèi)嵌在虛擬機(jī)里的機(jī)器級的調(diào)試器。當(dāng)需要調(diào)試一個COMET虛擬機(jī)的程序時，只需要在啟動COMET虛擬機(jī)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(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(diǎn)是個函數(shù)不用傳遞復(fù)雜的結(jié)構(gòu)體參數(shù)，缺點(diǎn)是每個進(jìn)程同時只能有一個虛擬機(jī)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(jī)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(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(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(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(jī)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(jī)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(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(jī)輸出：

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

COMET虛擬計算機(jī)