JIT动态编译器的原理与实现之Interpreter3

接下来，就是要实现一个虚拟机了。记得编码高质量的代码中有一条：不要过早地优化你的代码。所以，也本着循序渐进的原则，我将从实现一个解释器开始，逐步过渡到JIT动态编译器，这样的演化可以使原理看起来更清晰。

解释器的原理很简单，就是一条指令一条指令的解释并执行。具体流程分为：取出指令-解码指令-执行-返回主流程。这样形成一个无限循环，如下图所示：

这里的主流程就是上篇定义的程序rom.bin。但rom.bin不能直接运行，需要一个解释器来包裹它，来解释执行。解释器放在一个无限循环中，使得主流程无限运行不停止：

void loop()
{
    for(;;)
    {
    Interpreter(&CPUREG);           
    }
}

这样，整个虚拟机的运行可以定义为：

memInit();         //初始化内存
ResetCPU(&CPUREG); //初始化CPU
loadROM();         //加载rom.bin
loop();            //执行主流程
memFree();         //释放内存

接下来需要做的就是取出指令送入解释器了。为此需要定义读写内存的函数memGet和memSet：

void memSet(unsigned int, unsigned char);
 
unsigned char memGet(unsigned int);
 
void memSet(unsigned int addr, unsigned char data)
{
    char Str_Err[256];
 
    if(addr>64)
    {
      sprintf(Str_Err, "MEM: invalid mem write: 0x%8x", addr);
      MessageBox(NULL, Str_Err, "Warning", MB_OK);
    }
    else
    {
      RAM[addr & 0xff]=data;
    }
 
}
 
unsigned char memGet(unsigned int addr)
{
    char Str_Err[256];
    unsigned char val = 0;
 
    if(addr>64)
    {
      sprintf(Str_Err, "MEM: invalid mem read: 0x%8x", addr);
      MessageBox(NULL, Str_Err, "Warning", MB_OK);
    }
    else
    {
        val=RAM[addr & 0xff];
    }
 
    return val;
}

读写均为一个字节。由于上篇定义的CPU寻址范围只有64字节大小，所以超过64字节就要给出错误提示。

然后需要为每一个CPU指令机器码实现一个解码执行函数：

void nop(REG*);
void mov(REG*);
void add(REG*);
void cmp(REG*);
void jmp(REG*);
void jcp(REG*);
 
void nop(REG* cpuREG)
{
 
    cpuREG->R_PC++;
 
    sprintf("NOP
");
 
}
 
void mov(REG* cpuREG)
{
 
    memSet(cpuREG->R_PC+1, memGet(cpuREG->R_PC+2));
 
    sprintf("MOV [0x%4x], [0x%4x]
", cpuREG->R_PC+1, cpuREG->R_PC+2);
 
    cpuREG->R_PC+=3;
}
 
void add(REG* cpuREG)
{
 
    memSet(cpuREG->R_PC+1, memGet(cpuREG->R_PC+1)+memGet(cpuREG->R_PC+2));
 
    sprintf("ADD [0x%4x], [0x%4x]
", cpuREG->R_PC+1, cpuREG->R_PC+2);
 
    cpuREG->R_PC+=3;
}
 
void cmp(REG* cpuREG)
{
 
    if((memGet(cpuREG->R_PC+1)-memGet(cpuREG->R_PC+2)) < 0)
    {
        cpuREG->R_CMP=0;
    }
    else
    {
        cpuREG->R_CMP=1;
    }
 
    sprintf("CMP [0x%4x], [0x%4x]
", cpuREG->R_PC+1, cpuREG->R_PC+2);
    cpuREG->R_PC+=3;
}
 
void jmp(REG* cpuREG)
{
 
    sprintf("JMP [0x%4x] 
", cpuREG->R_PC+1);
 
    cpuREG->R_PC=memGet(cpuREG->R_PC+1);
}
 
void jcp(REG* cpuREG)
{
 
    sprintf("JCP [0x%4x], [0x%4x]
", cpuREG->R_PC+1, cpuREG->R_PC+2);
 
    if(cpuREG->R_CMP==0)
    {
        cpuREG->R_PC=memGet(cpuREG->R_PC+1);
    }
    else
    {
        cpuREG->R_PC=memGet(cpuREG->R_PC+2);
    }
     
}

这里最重要的是要小心处理PC寄存器。一开始CPU初始化的时候，PC寄存器是设为0的，而自定义的rom.bin也是从0地址开始执行的。如果你虚拟的CPU不是从0地址开始执行，那么在CPU初始化的时候就要把PC寄存器设为相应的开始地址。另外每一条指令可能涉及的地址数不相同，那么PC寄存器的变动也要不同。最后，跳转指令也可能要根据比较寄存器的内容来改变PC寄存器。

做了如上的准备之后就可以实现解释器了。这里用switch-case结构来决定哪条指令被执行。为了简单起见，用了一个函数指针来执行解码函数：

void (*func)(REG*);
 
//Interpreter 
void Interpreter(REG* cpuREG)
{
    char Str_Err[256];
 
    switch(memGet(cpuREG->R_PC))
    {
    case 0:
        func=nop;
        break;
    case 1:
        func=mov;
        break;
    case 2:
        func=add;
        break;
    case 3:
        func=cmp;
        break;
    case 4:
        func=jmp;
        break;
    case 5:
        func=jcp;
        break;
    default:
        sprintf(Str_Err, "Unhandled Opcode (0x%4x) at [0x%4x]", memGet(cpuREG->R_PC), cpuREG->R_PC);
        MessageBox(NULL, Str_Err, "Warning", MB_OK);
        return;
 
    }
 
    func(cpuREG);
 
}

首先从内存中取出数据，根据机器码来决定执行解码函数，最后执行。执行结果如下：

分类: 模拟器与虚拟机

标签: 模拟器, 虚拟机, 动态编译