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一位國(guó)外的軟件工程師分享了這么一篇博文：Writing a simple 16 bit VM in less than 125 lines of C （用不到 125 行 C 語(yǔ)言編寫一個(gè)簡(jiǎn)單的 16 位虛擬機(jī)）。
博文地址：
https://www.andreinc.net/2021/12/01/writing-a-simple-vm-in-less-than-125-lines-of-c
改博文用圖文代碼的方式詳細(xì)描述了實(shí)現(xiàn)的具體過(guò)程，包含每一條指令的含義。
虛擬機(jī)
在計(jì)算領(lǐng)域，VM（虛擬機(jī)）是一個(gè)術(shù)語(yǔ)，指的是模擬/虛擬化計(jì)算機(jī)系統(tǒng)/架構(gòu)的系統(tǒng)。
從廣義上講，有兩類虛擬機(jī)：
系統(tǒng)虛擬機(jī)，可完全替代真實(shí)機(jī)器。它們實(shí)現(xiàn)了足夠的功能，允許操作系統(tǒng)在它們上運(yùn)行。他們可以共享和管理硬件，有時(shí)多個(gè)環(huán)境可以在同一臺(tái)物理機(jī)器上運(yùn)行而不會(huì)相互阻礙。
進(jìn)程虛擬機(jī)更簡(jiǎn)單，旨在在與平臺(tái)無(wú)關(guān)的環(huán)境中執(zhí)行計(jì)算機(jī)程序。JVM是進(jìn)程虛擬機(jī)的一個(gè)很好的例子。
本文描述的是一個(gè)簡(jiǎn)單的進(jìn)程虛擬機(jī)，旨在在獨(dú)立于平臺(tái)的環(huán)境中執(zhí)行簡(jiǎn)單的計(jì)算機(jī)程序。該虛擬機(jī)基于LC-3 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)，能夠解釋和執(zhí)行 LC3 匯編代碼（的子集）。
該虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)了：中斷處理、優(yōu)先級(jí)、進(jìn)程、狀態(tài)寄存器 (PSR)、特權(quán)模式、主管堆棧、用戶堆棧等最基本的硬件內(nèi)容。
馮諾依曼模型
受 LC-3 啟發(fā)的 VM 與當(dāng)今大多數(shù)通用計(jì)算機(jī)一樣，基于馮諾依曼計(jì)算機(jī)模型，它將具有三個(gè)主要組件：CPU、主存儲(chǔ)器、輸入/輸出設(shè)備 。
CPU是中央處理器的縮寫，是控制和操作數(shù)據(jù)的“電路”。此外，CPU 分為三層：ALU、CU和寄存器 。
ALU 代表算術(shù)/邏輯單元，代表實(shí)際攜帶數(shù)據(jù)指令的電路（加法、異或、除法等操作）。
CU 是Control Unit的縮寫，協(xié)調(diào) CPU 上的活動(dòng)。
寄存器是位于 CPU 級(jí)別的可快速訪問(wèn)的“插槽”。ALU 對(duì)寄存器進(jìn)行操作。它們數(shù)量很少（這是一個(gè)相對(duì)的說(shuō)法，因?yàn)樗Q于架構(gòu)），因此可以在 CPU 中加載的數(shù)據(jù)量是有限的。我們使用寄存器與主存儲(chǔ)器交互。一個(gè)典型的場(chǎng)景包括將內(nèi)存位置加載到寄存器中，執(zhí)行一些更改，然后將數(shù)據(jù)放回內(nèi)存中。
實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)原理
虛擬機(jī)功能如下：
我們將程序加載到主存中；
在RPC寄存器中，我們保存當(dāng)前需要執(zhí)行的指令；
我們從指令中獲取操作碼（前 4 位），并在此基礎(chǔ)上解碼其余參數(shù)。
我們執(zhí)行與給定指令相關(guān)的方法；
我們?cè)黾覴PC并繼續(xù)下一條指令；
實(shí)現(xiàn)的具體過(guò)程，可以參看原博文。
這里附上開源代碼：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdint.h>
#include <string.h>
#include <stdbool.h>#include "vm_dbg.h"#define NOPS (16)#define OPC(i) ((i)>>12)
#define DR(i) (((i)>>9)&0x7)
#define SR1(i) (((i)>>6)&0x7)
#define SR2(i) ((i)&0x7)
#define FIMM(i) ((i>>5)&01)
#define IMM(i) ((i)&0x1F)
#define SEXTIMM(i) sext(IMM(i),5)
#define FCND(i) (((i)>>9)&0x7)
#define POFF(i) sext((i)&0x3F, 6)
#define POFF9(i) sext((i)&0x1FF, 9)
#define POFF11(i) sext((i)&0x7FF, 11)
#define FL(i) (((i)>>11)&1)
#define BR(i) (((i)>>6)&0x7)
#define TRP(i) ((i)&0xFF)bool running = true;typedef void (*op_ex_f)(uint16_t i);
typedef void (*trp_ex_f)();enum { trp_offset = 0x20 };
enum regist { R0 = 0, R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7, RPC, RCND, RCNT };
enum flags { FP = 1 << 0, FZ = 1 << 1, FN = 1 << 2 };uint16_t mem[UINT16_MAX] = {0};
uint16_t reg[RCNT] = {0};
uint16_t PC_START = 0x3000;static inline uint16_t mr(uint16_t address) { return mem[address]; }
static inline void mw(uint16_t address, uint16_t val) { mem[address] = val; }
static inline uint16_t sext(uint16_t n, int b) { return ((n>>(b-1))&1) ? (n|(0xFFFF << b)) : n; }
static inline void uf(enum regist r) {if (reg[r]==0) reg[RCND] = FZ;else if (reg[r]>>15) reg[RCND] = FN;else reg[RCND] = FP;
}
static inline void add(uint16_t i) { reg[DR(i)] = reg[SR1(i)] + (FIMM(i) ? SEXTIMM(i) : reg[SR2(i)]); uf(DR(i)); }
static inline void and(uint16_t i) { reg[DR(i)] = reg[SR1(i)] & (FIMM(i) ? SEXTIMM(i) : reg[SR2(i)]); uf(DR(i)); }
static inline void ldi(uint16_t i) { reg[DR(i)] = mr(mr(reg[RPC]+POFF9(i))); uf(DR(i)); }
static inline void not(uint16_t i) { reg[DR(i)]=~reg[SR1(i)]; uf(DR(i)); }
static inline void br(uint16_t i) { if (reg[RCND] & FCND(i)) { reg[RPC] += POFF9(i); } }
static inline void jsr(uint16_t i) { reg[R7] = reg[RPC]; reg[RPC] = (FL(i)) ? reg[RPC] + POFF11(i) : reg[BR(i)]; }
static inline void jmp(uint16_t i) { reg[RPC] = reg[BR(i)]; }
static inline void ld(uint16_t i) { reg[DR(i)] = mr(reg[RPC] + POFF9(i)); uf(DR(i)); }
static inline void ldr(uint16_t i) { reg[DR(i)] = mr(reg[SR1(i)] + POFF(i)); uf(DR(i)); }
static inline void lea(uint16_t i) { reg[DR(i)] =reg[RPC] + POFF9(i); uf(DR(i)); }
static inline void st(uint16_t i) { mw(reg[RPC] + POFF9(i), reg[DR(i)]); }
static inline void sti(uint16_t i) { mw(mr(reg[RPC] + POFF9(i)), reg[DR(i)]); }
static inline void str(uint16_t i) { mw(reg[SR1(i)] + POFF(i), reg[DR(i)]); }
static inline void rti(uint16_t i) {} // unused
static inline void res(uint16_t i) {} // unused
static inline void tgetc() { reg[R0] = getchar(); }
static inline void tout() { fprintf(stdout, "%c", (char)reg[R0]); }
static inline void tputs() {uint16_t *p = mem + reg[R0];while(*p) {fprintf(stdout, "%c", (char)*p);p++;}
}
static inline void tin() { reg[R0] = getchar(); fprintf(stdout, "%c", reg[R0]); }
static inline void tputsp() { /* Not Implemented */ }
static inline void thalt() { running = false; }
static inline void tinu16() { fscanf(stdin, "%hu", ®[R0]); }
static inline void toutu16() { fprintf(stdout, "%hu\n", reg[R0]); }
trp_ex_f trp_ex[8] = { tgetc, tout, tputs, tin, tputsp, thalt, tinu16, toutu16 };
static inline void trap(uint16_t i) { trp_ex[TRP(i)-trp_offset](); }
op_ex_f op_ex[NOPS] = { /*0*/ br, add, ld, st, jsr, and, ldr, str, rti, not, ldi, sti, jmp, res, lea, trap };
void start(uint16_t offset) { reg[RPC] = PC_START + offset;while(running) {uint16_t i = mr(reg[RPC]++);op_ex[OPC(i)](i);}
}
void ld_img(char *fname, uint16_t offset) {FILE *in = fopen(fname, "rb");if (NULL==in) {fprintf(stderr, "Cannot open file %s.\n", fname);exit(1); }uint16_t *p = mem + PC_START + offset;fread(p, sizeof(uint16_t), (UINT16_MAX-PC_START), in);fclose(in);
}
int main(int argc, char **argv) {ld_img(argv[1], 0x0);fprintf(stdout, "Occupied memory after program load:\n");fprintf_mem_nonzero(stdout, mem, UINT16_MAX);start(0x0); // START PROGRAMfprintf(stdout, "Occupied memory after program execution:\n");fprintf_mem_nonzero(stdout, mem, UINT16_MAX);fprintf(stdout, "Registers after program execution:\n");fprintf_reg_all(stdout, reg, RCNT);return 0;
}
開源代碼地址：
https://github.com/nomemory/lc3-vm
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總結(jié)
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