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一位國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 語言編寫一個簡單的 16 位虛擬機）。

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描述了實現的具體過程，包含每一條指令的含義。

虛擬機

在計算領域，VM（虛擬機）是一個術語，指的是模擬/虛擬化計算機系統/架構的系統。

從廣義上講，有兩類虛擬機：

• 系統虛擬機，可完全替代真實機器。它們實現了足夠的功能，允許操作系統在它們上運行。他們可以共享和管理硬件，有時多個環境可以在同一臺物理機器上運行而不會相互阻礙。

• 進程虛擬機更簡單，旨在在與平臺無關的環境中執行計算機程序。JVM是進程虛擬機的一個很好的例子。

本文描述的是一個簡單的進程虛擬機，旨在在獨立于平臺的環境中執行簡單的計算機程序。該虛擬機基于LC-3 計算機體系結構，能夠解釋和執行 LC3 匯編代碼（的子集）。

該虛擬機實現了：中斷處理、優先級、進程、狀態寄存器 (PSR)、特權模式、主管堆棧、用戶堆棧等最基本的硬件內容。

馮諾依曼模型

受 LC-3 啟發的 VM 與當今大多數通用計算機一樣，基于馮諾依曼計算機模型，它將具有三個主要組件：CPU、主存儲器、輸入/輸出設備。

CPU是中央處理器的縮寫，是控制和操作數據的“電路”。此外，CPU 分為三層：ALU、CU和寄存器。

ALU 代表算術/邏輯單元，代表實際攜帶數據指令的電路（加法、異或、除法等操作）。

CU 是Control Unit的縮寫，協調 CPU 上的活動。

寄存器是位于 CPU 級別的可快速訪問的“插槽”。ALU 對寄存器進行操作。它們數量很少（這是一個相對的說法，因為它取決于架構），因此可以在 CPU 中加載的數據量是有限的。我們使用寄存器與主存儲器交互。一個典型的場景包括將內存位置加載到寄存器中，執行一些更改，然后將數據放回內存中。

實現虛擬機原理

虛擬機功能如下：

• 我們將程序加載到主存中；

• 在RPC寄存器中，我們保存當前需要執行的指令；

• 我們從指令中獲取操作碼（前 4 位），并在此基礎上解碼其余參數。

• 我們執行與給定指令相關的方法；

• 我們增加RPC并繼續下一條指令；

實現的具體過程，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", &reg[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

以上是生活随笔為你收集整理的用125行C语言编写一个简单的16位虚拟机的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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