基于FORTH語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)嵌入式虛擬計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)

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，這個(gè)過程依托中央處理器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)核心過程。

在FORTH虛擬機(jī)中，用核心算法--NEXT模擬了這個(gè)過程，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的處理過程。如圖1所示。

具體過程是：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、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。

3.指令的定義和存儲(chǔ)

FORTH虛擬計(jì)算機(jī)采用該虛擬指令的存儲(chǔ)地址來(lái)表示該指令，稱為“地址碼”.虛擬計(jì)算機(jī)的每個(gè)指令用名稱（例如+、-、*）來(lái)表示，稱為“字（Word）”.FORTH虛擬計(jì)算機(jī)的指令包括“復(fù)合字”和“基本字”.基本字也稱為“低級(jí)字”,由真實(shí)計(jì)算機(jī)機(jī)器碼和數(shù)據(jù)組成的，低級(jí)字組合可構(gòu)成“復(fù)合字”,所以，“復(fù)合字”也稱為“高級(jí)字”.

高級(jí)字和低級(jí)字都可通過定義擴(kuò)展。擴(kuò)展高級(jí)字用“:”冒號(hào)定義，通過高級(jí)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(kuò)展低級(jí)字則用機(jī)器碼定義，格式如下：

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

對(duì)于真實(shí)計(jì)算機(jī)，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(jì)算機(jī)不同，由于需要虛擬機(jī)執(zhí)行和構(gòu)造新的虛擬機(jī)指令，因此在虛擬計(jì)算機(jī)中要保留FORTH字的名稱，用于存儲(chǔ)FORTH字的存儲(chǔ)空間就是“字典表”.在JLP FORTH虛擬平臺(tái)中，字典表結(jié)構(gòu)如表1,在圖1中也有標(biāo)注。

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

代碼場(chǎng)和參數(shù)場(chǎng)用于共同存儲(chǔ)FORTH字，如表2.

其中CFA存放實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)功能的CPU機(jī)器碼開始地址。PFA依次存放組成它的虛擬機(jī)指令。對(duì)于基本字PFA的內(nèi)容不一樣。對(duì)于一個(gè)常數(shù)基本字，PFA就直接存放這個(gè)常數(shù)。對(duì)于一個(gè)變量基本字，PFA就存放數(shù)據(jù)段中這個(gè)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(duì)固定，而代碼和數(shù)據(jù)混合致使調(diào)試不方便，同時(shí)在系統(tǒng)安全上也帶來(lái)問題。在JLP FORTH虛擬機(jī)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(gè)部分。

（1）代碼段CS:存放真實(shí)計(jì)算機(jī)的機(jī)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(lái)存放虛擬計(jì)算機(jī)的指令和字典。

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

（4）系統(tǒng)段SS:用來(lái)存放系統(tǒng)堆棧和多任務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)表等，達(dá)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(shí)現(xiàn)程序和數(shù)據(jù)的分離。這種新的虛擬機(jī)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(hù)的實(shí)現(xiàn)。

真實(shí)計(jì)算機(jī)主要依靠寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)加減乘除等運(yùn)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(yùn)算能力的一個(gè)指標(biāo)。FORTH虛擬計(jì)算機(jī)則采用直接面向運(yùn)算過程的方法，采用堆棧的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的運(yùn)算，例如取出堆棧頂上的兩個(gè)數(shù)相加后，結(jié)果放回堆棧頂。對(duì)于復(fù)雜運(yùn)算，直接用復(fù)合字或者機(jī)器碼寫出面向數(shù)據(jù)的算法，比如對(duì)矢量和矩陣的運(yùn)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行的各種指針。為了提高虛擬計(jì)算機(jī)的執(zhí)行效率，用間接尋址的CPU寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)應(yīng)關(guān)系如下（注：箭頭為在X86計(jì)算機(jī)中對(duì)應(yīng)的寄存器）。

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

5.NEXT核心算法與函數(shù)

FORTH虛擬機(jī)的核心算法--NEXT,它完成了指令的控制執(zhí)行過程。如借用以上描述，用形式化的方法表示為：

由于FORTH虛擬機(jī)是工作在真實(shí)計(jì)算機(jī)上，因此要實(shí)現(xiàn)FORTH虛擬機(jī)必須用真實(shí)計(jì)算機(jī)的代碼來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)核心過程，以X86匯編語(yǔ)言為例，其實(shí)現(xiàn)FORTH虛擬機(jī)核心過程的代碼為（16位地址空間）：

ES:BX,SI MOV

SI,#2 ADD

ES:[BX]JMP

從代碼可以看出，它非常象一個(gè)子過程或函數(shù)的調(diào)用。在真實(shí)計(jì)算機(jī)中，函數(shù)是非常常用的一個(gè)功能，是若干指令的有序集合。

在FORTH虛擬計(jì)算機(jī)中高級(jí)字就可認(rèn)為是“函數(shù)”.表3是真實(shí)計(jì)算機(jī)和FORTH虛擬計(jì)算機(jī)在函數(shù)調(diào)用中的執(zhí)行過程對(duì)比。

6.實(shí)例

以下采用自下而上的編程方法，構(gòu)造FORTH字P_DUMP用于查看內(nèi)存基本信息，以此為例說明FORTH虛擬計(jì)算機(jī)相關(guān)程序的設(shè)計(jì)方法。參數(shù)有查看內(nèi)存的段地址、偏移地址和區(qū)域長(zhǎng)度。

7.結(jié)論

對(duì)于嵌入式應(yīng)用來(lái)說，一個(gè)可擴(kuò)展性好、可移植性好、可裁剪、實(shí)現(xiàn)快速，并且便于調(diào)試的嵌入式虛擬機(jī)，能給嵌入式應(yīng)用的開發(fā)帶來(lái)極大的方便?；贔ORTH構(gòu)筑的虛擬機(jī)，引入字典表完成指令和機(jī)器代碼的對(duì)應(yīng)，并用字定義來(lái)完成指令的擴(kuò)展，使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)具有了極大的靈活性和擴(kuò)展性，僅僅通過對(duì)基本字的堆疊、組合就可完成高級(jí)字的層層定義，實(shí)現(xiàn)極其復(fù)雜的系統(tǒng)。在JLP FORTH中存儲(chǔ)分段使得程序指令和數(shù)據(jù)能相對(duì)獨(dú)立，有效地增強(qiáng)了系統(tǒng)的安全性。這些設(shè)計(jì)思路使得在其上構(gòu)建的FORTH虛擬機(jī)具有了代碼簡(jiǎn)單、調(diào)試方便、安全性高、擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)，特別適合應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)中。