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嵌入式FORTH虚拟计算机的实现

作者:时间:2013-12-17来源:网络收藏

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/256992.htm

1.引言

虚拟机最初是美国计算机科学家波佩克(Popek)与戈德堡(Gerald)在虚拟化需求中给出了定义,专指有效的、孤立的真实计算机的副本,现在则指可像真实计算机一样运行程序的软件实现,包括跟任何真实计算机无关的虚拟机。根据运用和与机器的相关性可分为系统虚拟机和程序虚拟机,一个提供了完整的操作系统,另一个则以运行单个计算机程序为主。


应用领域,系统相关的CPU芯片和微计算机硬件系统种类繁多,并且不断推陈出新,甚至多核处理器已被普遍采用。但是在新平台上,难以针对每一种芯片或平台制定一种计算机语言来编程。解决的方法一是可采用公共计算机语言,用不同的编译器来生成机器码,但该方法需要具有该语言的编译器,在新平台上往往难以具备。另一种方法即建立一个虚拟机,然后用一个计算机语言,用一个解释器来解释执行。采用该方法,难点在于虚拟机的构建,要能够适应多种环境、快速构建、可扩展。


是一种与众不同的计算机程序设计语言。它具有极强的扩展性,通过字的定义,可实现不断堆叠和扩展。同时,它又具有极好的交互性,指令可解释执行,这就为应用的调试带来了极大的便捷。本文基于语言,以自主构建的JLP虚拟平台为例,详细阐述FORTH虚拟机的实现原理和核心实现方法,模拟和实现了通用的交互式计算机结构,实现了真实计算机的典型工作流程[4],并且一改过去FORTH代码和数据混合存储的方式,在内存的存储上以分段的方式将内存分为CS、VS、DS、SS四个段,分别存储指令和数据,这样,就实现了系统指令和用户数据的分离,有效地提高了代码和系统的安全性,并且调试方便、扩展性强,尤其适合应用于对安全性、兼容性、移植性、扩展性、交互性要求高的嵌入式系统领域。

2.FORTH虚拟机实现原理


真实计算机的基本工作原理是存储和控制。计算机在控制器的指挥下,取出预先存储的指令序列(即程序)和数据,通过控制器译码,按指令的要求,取出数据完成运算,再把结果重新存储起来,如此循环,直至完成全部指令。对真实计算机来说,这个过程依托中央处理器CPU来实现,CPU包括运算器、控制器和寄存器。如果描述CPU核心工作过程,主要包括以下步骤:


(1)提取程序计数器值,该值指向的地址即指令地址;


(2)从该地址取出指令;


(3)程序计数器增加指令长度,即指向下一条指令地址;


(4)解码执行指令;


(5)返回结果。


由于FORTH虚拟机是工作在真实计算机上的,因此要实现FORTH虚拟机必须用对应关系依托真实计算机的代码来实现这个核心过程。


在FORTH虚拟机中,用核心算法--NEXT模拟了这个过程,将虚拟机指令和真实计算机指令实现对应,通过建立字典表,设置地址跳转,以串线码的方式将虚拟机命令字和直接机器指令实现对应,依托真实计算机指令完成了CPU的处理过程。如图1所示。


具体过程是:在FORTH定义字时创建链结构的字典表,在其中存储各个字的名称、长度、状态、指令码以及链接指针。例如定义FORTH字S:S DUP *;在字典表存放了各个FORTH高级字的名称和代码执行地址,其中也有S字的定义,在S字的代码场中存有S字的代码执行地址,该代码执行地址与code所描述的直接机器执行代码相对应,构成间接串线编码。当执行该指令时,首先查找字典表,找到S定义后,取出其WPF指令码中存放的地址,然后跳转到代码场该地址中,由于是FORTH高级字定义,所以首先执行“:”机器码将程序计数器所记录的下一条指令返回地址压入栈,然后跳转到参数场地址依序执行,直到最后的“;”返回指令执行后,再将原先存入栈的返回地址弹出,这样即完成一条指令的执行。其中,代码场和参数场分别存储指令和参数。以下以JLP FORTH虚拟机为例,详细描述其字典表、代码场、参数场的定义、虚拟机存储和指针的分配,以及核心算法。

linux操作系统文章专题:linux操作系统详解(linux不再难懂)

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