FORTH虛擬機(jī)實現(xiàn)原理分析

　1.引言
　　虛擬機(jī)最初是美國計算機(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、孤立的真實計算機(jī)的副本，現(xiàn)在則指可像真實計算機(jī)一樣運(yùn)行程序的軟件實現(xiàn)，包括跟任何真實計算機(jī)無關(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)，一個提供了完整的操作系統(tǒng)，另一個則以運(yùn)行單個計算機(jī)程序為主。
　　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。但是在新平臺上，難以針對每一種芯片或平臺制定一種計算機(jī)語言來編程。解決的方法一是可采用公共計算機(jī)語言，用不同的編譯器來生成機(jī)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(jī)，然后用一個計算機(jī)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(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算機(jī)程序設(shè)計語言。它具有極強(qiáng)的擴(kuò)展性，通過字的定義，可實現(xiàn)不斷堆疊和擴(kuò)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(yīng)用的調(diào)試帶來了極大的便捷。本文基于FORTH語言，以自主構(gòu)建的JLPFORTH虛擬平臺為例，詳細(xì)闡述FORTH虛擬機(jī)的實現(xiàn)原理和核心實現(xiàn)方法，模擬和實現(xiàn)了通用的交互式計算機(jī)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了真實計算機(jī)的典型工作流程［4］，并且一改過去FORTH代碼和數(shù)據(jù)混合存儲的方式，在內(nèi)存的存儲上以分段的方式將內(nèi)存分為CS、VS、DS、SS四個段，分別存儲指令和數(shù)據(jù)，這樣，就實現(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)實現(xiàn)原理
　　真實計算機(jī)的基本工作原理是存儲和控制。計算機(jī)在控制器的指揮下，取出預(yù)先存儲的指令序列（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)果重新存儲起來，如此循環(huán)，直至完成全部指令。對真實計算機(jī)來說，這個過程依托中央處理器CPU來實現(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：
　?。?）提取程序計數(shù)器值，該值指向的地址即指令地址；
　?。?）從該地址取出指令；
　?。?）程序計數(shù)器增加指令長度，即指向下一條指令地址；
　?。?）解碼執(zhí)行指令；
　?。?）返回結(jié)果。
　　由于FORTH虛擬機(jī)是工作在真實計算機(jī)上的，因此要實現(xiàn)FORTH虛擬機(jī)必須用對應(yīng)關(guān)系依托真實計算機(jī)的代碼來實現(xiàn)這個核心過程。
　　在FORTH虛擬機(jī)中，用核心算法--NEXT模擬了這個過程，將虛擬機(jī)指令和真實計算機(jī)指令實現(xiàn)對應(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)器指令實現(xiàn)對應(yīng)，依托真實計算機(jī)指令完成了CPU的處理過程。如圖1所示。
　　
　　具體過程是：在FORTH定義字時創(chuàng)建鏈結(jié)構(gòu)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(jī)器執(zhí)行代碼相對應(yīng)，構(gòu)成間接串線編碼。當(dāng)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(zhuǎn)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(jī)器碼將程序計數(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(shù)場分別存儲指令和參數(shù)。以下以JLP FORTH虛擬機(jī)為例，詳細(xì)描述其字典表、代碼場、參數(shù)場的定義、虛擬機(jī)存儲和指針的分配，以及核心算法。
　　3.指令的定義和存儲
　　FORTH虛擬計算機(jī)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(jī)的每個指令用名稱（例如+、-、*）來表示，稱為“字（Word）”。FORTH虛擬計算機(jī)的指令包括“復(fù)合字”和“基本字”?；咀忠卜Q為“低級字”，由真實計算機(jī)機(jī)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(kuò)展。擴(kuò)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：
　?。好?… 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，指令可以讓計算機(jī)執(zhí)行下一條虛擬機(jī)指令。
　　對于真實計算機(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，因此在虛擬計算機(jī)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(biāo)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。