嵌入式FORTH虛擬計算機的實現(xiàn)

3.指令的定義和存儲

FORTH虛擬計算機采用該虛擬指令的存儲地址來表示該指令，稱為“地址碼”。虛擬計算機的每個指令用名稱(例如+、-、*)來表示，稱為“字(Word)”。FORTH虛擬計算機的指令包括“復(fù)合字”和“基本字”。基本字也稱為“低級字”，由真實計算機機器碼和數(shù)據(jù)組成的，低級字組合可構(gòu)成“復(fù)合字”，所以，“復(fù)合字”也稱為“高級字”。

高級字和低級字都可通過定義擴展。擴展高級字用“:”冒號定義，通過高級字定義用已有的指令形成新的指令。格式如下：

:名字 … leave … ;其中執(zhí)行l(wèi)eave指令可以跳出該FORTH字的執(zhí)行，忽略掉其后的指令。擴展低級字則用機器碼定義，格式如下：

CODE名字 … … NEXT, END-CODE其中NEXT,指令可以讓計算機執(zhí)行下一條虛擬機指令。

對于真實計算機，用編譯器生成的指令碼序列中不需要保留指令名稱。FORTH虛擬計算機不同，由于需要虛擬機執(zhí)行和構(gòu)造新的虛擬機指令，因此在虛擬計算機中要保留FORTH字的名稱，用于存儲FORTH字的存儲空間就是“字典表”。在JLP FORTH虛擬平臺中，字典表結(jié)構(gòu)如表1，在圖1中也有標注。

WPF里存儲的指令碼即FORTH字在存儲空間的地址。由于允許FORTH字的名稱長度不一樣，因此采用鏈表結(jié)構(gòu)可有效地存儲它們，在LPF中即存放了下一個字的定義地址。

代碼場和參數(shù)場用于共同存儲FORTH字，如表2。

其中CFA存放實現(xiàn)虛擬機功能的CPU機器碼開始地址。PFA依次存放組成它的虛擬機指令。對于基本字PFA的內(nèi)容不一樣。對于一個常數(shù)基本字，PFA就直接存放這個常數(shù)。對于一個變量基本字，PFA就存放數(shù)據(jù)段中這個變量的地址[6]。

4.內(nèi)存和指針分配

以往FORTH并未將代碼和數(shù)據(jù)分開，在嵌入式應(yīng)用中，往往指令和程序相對固定，而代碼和數(shù)據(jù)混合致使調(diào)試不方便，同時在系統(tǒng)安全上也帶來問題。在JLP FORTH虛擬機上，將內(nèi)存分為代碼段CS、代碼空間VS、數(shù)據(jù)段DS、系統(tǒng)段SS四個部分。

(1)代碼段CS：存放真實計算機的機器指令、內(nèi)存分配信息以及與硬件有關(guān)的系統(tǒng)數(shù)據(jù)。

(2)“代碼”空間VS：用來存放虛擬計算機的指令和字典。

(3)數(shù)據(jù)段DS：用來存放用戶數(shù)據(jù)和虛擬機的堆棧等數(shù)據(jù)。

(4)系統(tǒng)段SS：用來存放系統(tǒng)堆棧和多任務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)表等，達到分離系統(tǒng)任務(wù)和用戶，保證系統(tǒng)安全的目的。

采用這種存放方式，就可將CS和VS放在FLASH中，將DS和SS放在RAM，如此實現(xiàn)程序和數(shù)據(jù)的分離。這種新的虛擬機架構(gòu)不僅可以適合嵌入式系統(tǒng)，也適合PC結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，而且更有利于內(nèi)存保護的實現(xiàn)。

真實計算機主要依靠寄存器來實現(xiàn)加減乘除等運算。例如將AX和BX寄存器的內(nèi)容相加結(jié)果放到AX中，因此寄存器的數(shù)量是衡量CPU運算能力的一個指標。FORTH虛擬計算機則采用直接面向運算過程的方法，采用堆棧的方式來實現(xiàn)簡單的運算，例如取出堆棧頂上的兩個數(shù)相加后，結(jié)果放回堆棧頂。對于復(fù)雜運算，直接用復(fù)合字或者機器碼寫出面向數(shù)據(jù)的算法，比如對矢量和矩陣的運算等。由于沒有寄存器的概念，只有表示系統(tǒng)工作狀態(tài)的各種系統(tǒng)變量以及實現(xiàn)系統(tǒng)運行的各種指針。為了提高虛擬計算機的執(zhí)行效率，用間接尋址的CPU寄存器來實現(xiàn)。對應(yīng)關(guān)系如下(注：箭頭為在X86計算機中對應(yīng)的寄存器)。

通過這些指針的定義，F(xiàn)ORTH虛擬機可實現(xiàn)各種各樣復(fù)雜的算法。