嵌入式FORTH虛擬計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)

1.引言

虛擬機(jī)最初是美國(guó)計(jì)算機(jī)科學(xué)家波佩克(Popek)與戈德堡(Gerald)在虛擬化需求中給出了定義，專(zhuān)指有效的、孤立的真實(shí)計(jì)算機(jī)的副本，現(xiàn)在則指可像真實(shí)計(jì)算機(jī)一樣運(yùn)行程序的軟件實(shí)現(xiàn)，包括跟任何真實(shí)計(jì)算機(jī)無(wú)關(guān)的虛擬機(jī)。根據(jù)運(yùn)用和與機(jī)器的相關(guān)性可分為系統(tǒng)虛擬機(jī)和程序虛擬機(jī)，一個(gè)提供了完整的操作系統(tǒng)，另一個(gè)則以運(yùn)行單個(gè)計(jì)算機(jī)程序?yàn)橹鳌?/p>

在嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域，嵌入式系統(tǒng)相關(guān)的CPU芯片和微計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)種類(lèi)繁多，并且不斷推陳出新，甚至多核處理器已被普遍采用。但是在新平臺(tái)上，難以針對(duì)每一種芯片或平臺(tái)制定一種計(jì)算機(jī)語(yǔ)言來(lái)編程。解決的方法一是可采用公共計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，用不同的編譯器來(lái)生成機(jī)器碼，但該方法需要具有該語(yǔ)言的編譯器，在新平臺(tái)上往往難以具備。另一種方法即建立一個(gè)虛擬機(jī)，然后用一個(gè)計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，用一個(gè)解釋器來(lái)解釋執(zhí)行。采用該方法，難點(diǎn)在于嵌入式虛擬機(jī)的構(gòu)建，要能夠適應(yīng)多種環(huán)境、快速構(gòu)建、可擴(kuò)展。

FORTH是一種與眾不同的計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。它具有極強(qiáng)的擴(kuò)展性，通過(guò)字的定義，可實(shí)現(xiàn)不斷堆疊和擴(kuò)展。同時(shí)，它又具有極好的交互性，指令可解釋執(zhí)行，這就為應(yīng)用的調(diào)試帶來(lái)了極大的便捷。本文基于FORTH語(yǔ)言，以自主構(gòu)建的JLPFORTH虛擬平臺(tái)為例，詳細(xì)闡述FORTH虛擬機(jī)的實(shí)現(xiàn)原理和核心實(shí)現(xiàn)方法，模擬和實(shí)現(xiàn)了通用的交互式計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了真實(shí)計(jì)算機(jī)的典型工作流程[4]，并且一改過(guò)去FORTH代碼和數(shù)據(jù)混合存儲(chǔ)的方式，在內(nèi)存的存儲(chǔ)上以分段的方式將內(nèi)存分為CS、VS、DS、SS四個(gè)段，分別存儲(chǔ)指令和數(shù)據(jù)，這樣，就實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)指令和用戶(hù)數(shù)據(jù)的分離，有效地提高了代碼和系統(tǒng)的安全性，并且調(diào)試方便、擴(kuò)展性強(qiáng)，尤其適合應(yīng)用于對(duì)安全性、兼容性、移植性、擴(kuò)展性、交互性要求高的嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域。

2.FORTH虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)原理

真實(shí)計(jì)算機(jī)的基本工作原理是存儲(chǔ)和控制。計(jì)算機(jī)在控制器的指揮下，取出預(yù)先存儲(chǔ)的指令序列(即程序)和數(shù)據(jù)，通過(guò)控制器譯碼，按指令的要求，取出數(shù)據(jù)完成運(yùn)算，再把結(jié)果重新存儲(chǔ)起來(lái)，如此循環(huán)，直至完成全部指令。對(duì)真實(shí)計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)，這個(gè)過(guò)程依托中央處理器CPU來(lái)實(shí)現(xiàn)，CPU包括運(yùn)算器、控制器和寄存器。如果描述CPU核心工作過(guò)程，主要包括以下步驟：

(1)提取程序計(jì)數(shù)器值，該值指向的地址即指令地址；

(2)從該地址取出指令；

(3)程序計(jì)數(shù)器增加指令長(zhǎng)度，即指向下一條指令地址；

(4)解碼執(zhí)行指令；

(5)返回結(jié)果。

由于FORTH虛擬機(jī)是工作在真實(shí)計(jì)算機(jī)上的，因此要實(shí)現(xiàn)FORTH虛擬機(jī)必須用對(duì)應(yīng)關(guān)系依托真實(shí)計(jì)算機(jī)的代碼來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)核心過(guò)程。

在FORTH虛擬機(jī)中，用核心算法--NEXT模擬了這個(gè)過(guò)程，將虛擬機(jī)指令和真實(shí)計(jì)算機(jī)指令實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)，通過(guò)建立字典表，設(shè)置地址跳轉(zhuǎn)，以串線碼的方式將虛擬機(jī)命令字和直接機(jī)器指令實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)，依托真實(shí)計(jì)算機(jī)指令完成了CPU的處理過(guò)程。如圖1所示。

具體過(guò)程是：在FORTH定義字時(shí)創(chuàng)建鏈結(jié)構(gòu)的字典表，在其中存儲(chǔ)各個(gè)字的名稱(chēng)、長(zhǎng)度、狀態(tài)、指令碼以及鏈接指針。例如定義FORTH字S:S DUP *;在字典表存放了各個(gè)FORTH高級(jí)字的名稱(chēng)和代碼執(zhí)行地址，其中也有S字的定義，在S字的代碼場(chǎng)中存有S字的代碼執(zhí)行地址，該代碼執(zhí)行地址與code所描述的直接機(jī)器執(zhí)行代碼相對(duì)應(yīng)，構(gòu)成間接串線編碼。當(dāng)執(zhí)行該指令時(shí)，首先查找字典表，找到S定義后，取出其WPF指令碼中存放的地址，然后跳轉(zhuǎn)到代碼場(chǎng)該地址中，由于是FORTH高級(jí)字定義，所以首先執(zhí)行“:”機(jī)器碼將程序計(jì)數(shù)器所記錄的下一條指令返回地址壓入棧，然后跳轉(zhuǎn)到參數(shù)場(chǎng)地址依序執(zhí)行，直到最后的“;”返回指令執(zhí)行后，再將原先存入棧的返回地址彈出，這樣即完成一條指令的執(zhí)行。其中，代碼場(chǎng)和參數(shù)場(chǎng)分別存儲(chǔ)指令和參數(shù)。以下以JLP FORTH虛擬機(jī)為例，詳細(xì)描述其字典表、代碼場(chǎng)、參數(shù)場(chǎng)的定義、虛擬機(jī)存儲(chǔ)和指針的分配，以及核心算法。