本文最后更新于:2021年5月31日 下午

本文主要讲了如何设计一个简单的虚拟机

OHVM 虚拟机设计规范

简介

这是我为了学习虚拟机原理和计算机程序运行原理,写的一个很简单的虚拟机demo,可以运行简单的字节码,当然如果我有时间和精力写出来相对完整点的版本,说不定还能搞个小玩具。

OHVM 的含义是 “Only for Happy VM”,就是作者纯粹没有任何其他目的为了开心的产物。该设计本质是为了学习计算机技术,其没有任何生产和使用价值。

基础规范

内存范围

默认内存设定大小为 0-4KB,可以调整参数来扩大。

寄存器分布

一共有 293 个个寄存器.

一共有8层栈空间,每一层有32个寄存器。

虚拟机模型

内存分布

  1. 程序地址:
    程序从 0x0000H 开始。
  2. 入口地址:
    程序入口地址默认是 0x0000H。
注意

0x0H 是一个绝对地址, 真实地址是:1025.

寄存器分布

Those address can’t be accessed by user program.

Name Symbol Size Address(Decimal)
NullPtr Register NULL 1byte ROM: 0 - 1
VM Flag Register FLAG 1byte ROM: 1 - 2
Addressing Register A 4byte ROM: 3 - 5
ACCumulator ACC 4byte ROM: 6 - 9
Program counter PC 4byte ROM: 10 - 13
Stack index pointer SP 4byte ROM: 14 - 17
Stack deepth pointer SD 4byte ROM: 18 - 21
Exception Register EXCPT 4byte ROM: 22 - 25
General Register R{0…31} 4byte(per) ROM: 25 - 152
Stack Register S{0…7} 4byte(per) ROM: 153 - 378

标志位寄存器

Name Symbol Size
Zero ZE 1bit
Equal EQ 1bit
Execption EX 1bit
Reserved 1bit
Reserved 1bit
Reserved 1bit
Reserved 1bit
Reserved 1bit

指令集

Instruction Code Symbol Example Function
0X0000 NOP NOP No operation, used for delay
0X0001 START START Start ohvm
0X0002 STOP STOP Stop ohvm
0X0003 RSTR RSTR Reset all Register
0X0004 TIMER [Rn] MOVR R0 #5
TIMER R0
Start Timer
0X0005 GOTO [Rn]/[Label] GOTO LOOP
GOTO R0
GOTO ADDress
0X0006 CALL [Rn]/[Label] CALL LOOP
CALL R0
CALL SUB process
0X0007 BACK BACK RETURN from SUB process
0X0008 JMP [Rn]/[Label] JMP LOOP JUMP Address With No Condition
0X0009 JZ [ACC] [Rn]/[Label] JZ LOOP Compare with ACC, Jump Address if Zero Flag == 1
0X000A JE [ACC] [Rn]/[Label] JE LOOP Compare with ACC, Jump Address if Equal Flag == 1
0X000B JX [ACC] [Rn]/[Label] JX LOOP Compare with ACC, Jump Address if Excepion Flag == 1
0X000C CMRAE [Rn] MOV R0 #1
CMRAE
COMPARE R{x} if equal ACC
0X000D CMRAG [Rn] MOV R0 #1
CMRAG
COMPARE R{x} if greater than ACC
0X000E CMRAL [Rn] MOV R0 #1
CMRAL
COMPARE R{x} if little than ACC
0X000F CMRRE [Rn] [Rn] MOV R0 #1
MOV R1 #1
CMRRE R0 R1
COMPARE R{x} if equal R{x}
0X0010 CMRRG [Rn] [Rn] MOV R0 #1
MOV R1 #1
CMRRG R0 R1
COMPARE R{x} if greater than R{x}
0X0011 CMRRL [Rn] [Rn] MOV R0 #1
MOV R1 #1
CMRRL R0 R1
COMPARE R{x} if little than R{x}
0X0012 CMASE [Rn] [Sn] CMASE R0 S0 COMPARE ACC if equal than Stack
0X0013 CMASG [Rn] [Sn] CMASG R0 S0 COMPARE ACC if greater than Stack
0X0014 CMASL [Rn] [Sn] CMASL R0 S0 COMPARE ACC if little than Stack
0X0015 CMRSE [Rn] [Sn] CMRSE R0 S0 COMPARE R{x} if little than Stack
0X0016 CMRSG [Rn] [Sn] CMRSG R0 S0 COMPARE R{x} if greater than Stack
0X0017 CMRSL [Rn] [Sn] CMRSL R0 S0 COMPARE R{x} if little than Stack
0X0018 INCA INCA INCREASE ACC
0X0019 DECA DECA DECREASE ACC
0X001A INCR [Rn] INCR R0 INCREASE Register{x}
0X001B DECR [Rn] DECR R0 DECREASE Register{x}
0X001C ADDAR [Rn] MOV R0 #1
ADDAR R0
ADD ACC and Register{x}
0X001D SUBAR [Rn] MOV R0 #1
SUBAR R0
SUB ACC and Register{x}
0X001E INCS INCS INCREASE Stack
0X001F DECS DECS DECREASE Stack
0X0020 ADDAS [Sn] ADDAS S0 ADD ACC and Stack
0X0021 SUBAS [Sn] SUBAS S0 SUB ACC and Stack
0X0022 ANDR [Rn] MOV R0 #1
ANDR R0
ACC AND Register{x}
0X0023 AOR [Rn] MOV R0 #1
AOR R0
ACC OR Register{x}
0X0024 AXR [Rn] MOV R0 #1
AXR R0
ACC XOR Register{x}
0X0025 BSLR [Rn] MOV R0 #1
BSLR R0
BIT Shift left in Register{x}
0X0026 BSRR [Rn] MOV R0 #1
BSRR R0
BIT Shift right in Register{x}
0X0027 BSLLR [Rn] MOV R0 #1
BSLLR R0
BIT Shift left loop in Register{x}
0X0028 BSRLR [Rn] MOV R0 #1
BSRLR R0
BIT Shift right loop in Register{x}
0X0029 ANDS [Sn] ANDS S0 ACC AND Stack
0X002A AOS [Sn] AOS S0 ACC OR Stack
0X002B AXS [Sn] AXS S0 ACC XOR Stack
0X002C BSLS [Sn] BSLS S0 BIT Shift left in Stack
0X002D BSRS [Sn] BSRS S0 BIT Shift right in Stack
0X002E BSLLS [Sn] BSLLS S0 BIT Shift left loop in Stack
0X002F BSRLS [Sn] BSRLS S0 BIT Shift right loop in Stack
0X0030 IMA #[Hex] IMA #1 Immediately value to ACC
0X0031 IMR [Rn] #[Hex] IMR R0 #1 Immediately value to Register
0X0032 IMS [Sn] #[Hex] IMS S1 #1 Immediately value to Stack
0X0033 GET [Rn] GET R1 Get value from address
0X0034 MVRR [Rn] [Rn] MVRR R0 R0 MOVE Register value to another Register{x}
0X0035 MVRS [Rn] [Sn] MVRS R0 S0 MOVE Register value to Stack
0X0036 MVSR [Rn] [Rn] MVRS S0 R0 MOVE Stack value to Register
0X0037 MVAR [Rn] MVAR R0 MOVE ACC value to Register
0X0038 INTK INTK Wait key interupt
0X0039 KEY KEY Get key
0X003A PLY [Rn] MOV R0 #1
PLY R0
Play dididi sound
0X003B PLYS [Rn] MOV R0 #1
PLYS R0
Play a series of sound.Usually have a frequence
0X003C GSET [Rn] MOV R0 #1
GSET R0
Graphics resolution setting, [64X32 - 640X320]
0X003D CLS CLS Clear screen
0X003E DPXY [Rn] MOV R0 #1
DPXY R0
Draw 8 * x pixels at (x, y)
0X003F DXY [Rn] MOV R0 #1
DXY R0
Draw point at (x, y)
0X0040 DCXY [Rn] MOV R0 #1
DCXY R0
Draw char at (x, y)
0X0041 DLINE [Rn] MOV R0 #1
DCXY R0
Draw line
0X0042 DRECT [Rn] MOV R0 #1
DCXY R0
Draw rectangle
0X0043 SCRU SCRU Screen scrool up x pixel
0X0044 SCRD SCRD Screen scrool down x pixel
0X0045 SCRL SCRL Screen scrool left x pixel
0X0046 SCRR SCRR Screen scrool right x pixel
0X0047 SET [Rn] SET R0 Set value to ram

汇编规范

关键字

  • MAIN: 入口标识符
  • STOP: 直接退出虚拟机
  • BEGIN: 子程序声明标识符
  • END: 子程序标签
注意:
关键字不可用于其他地方!

汇编格式

  1. 入口
    MAIN 标记入口,一个程序必须有一个 MAIN
  2. 子程序
    BEGIN {子程序名}: [statement] END 来声明一个子程序,例如声明一个输出字符的子程序:
    
    BEGIN OUTPUT_CHAR:
       ;;
    END
    
  3. 退出
    退出用 STOP 标签标记,程序只要到 STOP,立即结束所有运行。
    STOP
  4. 注释
    使用双分号注释: ;;
    ;;这是一行注释

汇编案例

;; Example program
;; main
MAIN:
    IA 0              ;; ACC = 0
    IR R0 #1          ;; R0 = 1
    ADDAR R0          ;; ACC = ACC + R0
    CALL DISPLAY      ;; Call display
    STOP              ;;
END
;; display sub process
BEGIN DISPLAY:
    DCXY 40, 50, ACC ;; Display value in ACC
END

异常处理

按理来说汇编不应该有异常处理这种设计的,但是我想了下异常处理的本质也是一个 JMP,于是我自作聪明的设计了这个语法:TRY ... CATCH.

TRY
    ;; ....
    ;; ....
    ;; ....
CATCH ${Address}

捕获异常时,将设置 EX 寄存器设置为1,并且跳转到 CATCH 指定的代码位置处。

字节码规范

如图:

OHVM Lang

假设已经设计好了一个高级语言叫:OHVM Lang: OHVM Lang

编译器

我现在技术不到家,写不出来高级语言编译器,本来打算设计一个简单的编译器,把 C 或者是 BASIC 这种基础语法编译成字节码,但是我水平太菜了,搞不定,于是这里只能手动来写字节码了。

如何编译

编译流程:

┌───────────────────────┐
│    BASIC Source code  │
│                       │
└──────────┬────────────┘
           │
           ▼
┌───────────────────────┐
│   OHVM ASM code       │
│                       │
└──────────┬────────────┘
           │
┌──────────▼────────────┐
│                       │
│   OHVM Byte code      │
└───────────────────────┘

假设编译器已经实现好了,应该按照下面的方式来使用:

# 要编译这个文件:hello_world.oohvms
oohvmcc hello_world.oohvms
# 编译完成后,应该有下面这几个文件:
# hello_world.oohvmasm hello_world.oohvmbc

oohvms 为源代码文件;oohvmasm 为汇编代码;oohvmbc 为字节码文件

任务规划

  • 基础指令集设计
  • 项目结构设计
  • 虚拟机内核设计
  • 汇编器设计
  • 高级程序语言设计
  • 程序编译器设计

资源链接

参考

  • 《计算机程序运行原理》

  • 《C语言核心技术》

  • 《Linux内核开发》

  • YACC,LEX 等基础官方文档(实现编译器相关)


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