嵌入式FORTH虛擬計算機的實(shí)現

1.引言

虛擬機最初是美國計算機科學(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)計算機的副本，現在則指可像真實(shí)計算機一樣運行程序的軟件實(shí)現，包括跟任何真實(shí)計算機無(wú)關(guān)的虛擬機。根據運用和與機器的相關(guān)性可分為系統虛擬機和程序虛擬機，一個(gè)提供了完整的操作系統，另一個(gè)則以運行單個(gè)計算機程序為主。

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

FORTH是一種與眾不同的計算機程序設計語(yǔ)言。它具有極強的擴展性，通過(guò)字的定義，可實(shí)現不斷堆疊和擴展。同時(shí)，它又具有極好的交互性，指令可解釋執行，這就為應用的調試帶來(lái)了極大的便捷。本文基于FORTH語(yǔ)言，以自主構建的JLPFORTH虛擬平臺為例，詳細闡述FORTH虛擬機的實(shí)現原理和核心實(shí)現方法，模擬和實(shí)現了通用的交互式計算機結構，實(shí)現了真實(shí)計算機的典型工作流程[4]，并且一改過(guò)去FORTH代碼和數據混合存儲的方式，在內存的存儲上以分段的方式將內存分為CS、VS、DS、SS四個(gè)段，分別存儲指令和數據，這樣，就實(shí)現了系統指令和用戶(hù)數據的分離，有效地提高了代碼和系統的安全性，并且調試方便、擴展性強，尤其適合應用于對安全性、兼容性、移植性、擴展性、交互性要求高的嵌入式系統領(lǐng)域。

2.FORTH虛擬機實(shí)現原理

真實(shí)計算機的基本工作原理是存儲和控制。計算機在控制器的指揮下，取出預先存儲的指令序列(即程序)和數據，通過(guò)控制器譯碼，按指令的要求，取出數據完成運算，再把結果重新存儲起來(lái)，如此循環(huán)，直至完成全部指令。對真實(shí)計算機來(lái)說(shuō)，這個(gè)過(guò)程依托中央處理器CPU來(lái)實(shí)現，CPU包括運算器、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)提取程序計數器值，該值指向的地址即指令地址；

(2)從該地址取出指令；

(3)程序計數器增加指令長(cháng)度，即指向下一條指令地址；

(4)解碼執行指令；

(5)返回結果。

由于FORTH虛擬機是工作在真實(shí)計算機上的，因此要實(shí)現FORTH虛擬機必須用對應關(guān)系依托真實(shí)計算機的代碼來(lái)實(shí)現這個(gè)核心過(guò)程。

在FORTH虛擬機中，用核心算法--NEXT模擬了這個(gè)過(guò)程，將虛擬機指令和真實(shí)計算機指令實(shí)現對應，通過(guò)建立字典表，設置地址跳轉，以串線(xiàn)碼的方式將虛擬機命令字和直接機器指令實(shí)現對應，依托真實(shí)計算機指令完成了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 )建鏈結構的字典表，在其中存儲各個(gè)字的名稱(chēng)、長(cháng)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高級字的名稱(chēng)和代碼執行地址，其中也有S字的定義，在S字的代碼場(chǎng)中存有S字的代碼執行地址，該代碼執行地址與code所描述的直接機器執行代碼相對應，構成間接串線(xiàn)編碼。當執行該指令時(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，然后跳轉到代碼場(chǎng)該地址中，由于是FORTH高級字定義，所以首先執行“:”機器碼將程序計數器所記錄的下一條指令返回地址壓入棧，然后跳轉到參數場(chǎng)地址依序執行，直到最后的“;”返回指令執行后，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行。其中，代碼場(chǎng)和參數場(chǎng)分別存儲指令和參數。以下以JLP FORTH虛擬機為例，詳細描述其字典表、代碼場(chǎng)、參數場(chǎng)的定義、虛擬機存儲和指針的分配，以及核心算法。