嵌入式FORTH虛擬計算機的實現

1.引言

虛擬機最初是美國計算機科學家波佩克(Popek)與戈德堡(Gerald)在虛擬化需求中給出了定義，專指有效的、孤立的真實計算機的副本，現在則指可像真實計算機一樣運行程序的軟件實現，包括跟任何真實計算機無關的虛擬機。根據運用和與機器的相關性可分為系統(tǒng)虛擬機和程序虛擬機，一個提供了完整的操作系統(tǒng)，另一個則以運行單個計算機程序為主。

在嵌入式應用領域，嵌入式系統(tǒng)相關的CPU芯片和微計算機硬件系統(tǒng)種類繁多，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言來編程。解決的方法一是可采用公共計算機語言，用不同的編譯器來生成機器碼，但該方法需要具有該語言的編譯器，在新平臺上往往難以具備。另一種方法即建立一個虛擬機，然后用一個計算機語言，用一個解釋器來解釋執(zhí)行。采用該方法，難點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言。它具有極強的擴展性，通過字的定義，可實現不斷堆疊和擴展。同時，它又具有極好的交互性，指令可解釋執(zhí)行，這就為應用的調試帶來了極大的便捷。本文基于FORTH語言，以自主構建的JLPFORTH虛擬平臺為例，詳細闡述FORTH虛擬機的實現原理和核心實現方法，模擬和實現了通用的交互式計算機結構，實現了真實計算機的典型工作流程[4]，并且一改過去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四個段，分別存儲指令和數據，這樣，就實現了系統(tǒng)指令和用戶數據的分離，有效地提高了代碼和系統(tǒng)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(tǒng)領域。

2.FORTH虛擬機實現原理

真實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，如此循環(huán)，直至完成全部指令。對真實計算機來說，這個過程依托中央處理器CPU來實現，CPU包括運算器、控制器和寄存器。如果描述CPU核心工作過程，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度，即指向下一條指令地址；

(4)解碼執(zhí)行指令；

(5)返回結果。

由于FORTH虛擬機是工作在真實計算機上的，因此要實現FORTH虛擬機必須用對應關系依托真實計算機的代碼來實現這個核心過程。

在FORTH虛擬機中，用核心算法--NEXT模擬了這個過程，將虛擬機指令和真實計算機指令實現對應，通過建立字典表，設置地址跳轉，以串線碼的方式將虛擬機命令字和直接機器指令實現對應，依托真實計算機指令完成了CPU的處理過程。如圖1所示。

具體過程是：在FORTH定義字時創(chuàng)建鏈結構的字典表，在其中存儲各個字的名稱、長度、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FORTH高級字的名稱和代碼執(zhí)行地址，其中也有S字的定義，在S字的代碼場中存有S字的代碼執(zhí)行地址，該代碼執(zhí)行地址與code所描述的直接機器執(zhí)行代碼相對應，構成間接串線編碼。當執(zhí)行該指令時，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，然后跳轉到代碼場該地址中，由于是FORTH高級字定義，所以首先執(zhí)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，代碼場和參數場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、參數場的定義、虛擬機存儲和指針的分配，以及核心算法。