基于FORTH語言實現嵌入式虛擬計算機的設計

1.引言

虛擬機最初是美國計算機科學家波佩克（Popek）與戈德堡（Gerald）在虛擬化需求中給出了定義，專指有效的、孤立的真實計算機的副本，現在則指可像真實計算機一樣運行程序的軟件實現，包括跟任何真實計算機無關的虛擬機。根據運用和與機器的相關性可分為系統(tǒng)虛擬機和程序虛擬機，一個提供了完整的操作系統(tǒng)，另一個則以運行單個計算機程序為主。

在嵌入式應用領域，嵌入式系統(tǒng)相關的CPU芯片和微計算機硬件系統(tǒng)種類繁多，并且不斷推陳出新，甚至多核處理器已被普遍采用。但是在新平臺上，難以針對每一種芯片或平臺制定一種計算機語言來編程。解決的方法一是可采用公共計算機語言，用不同的編譯器來生成機器碼，但該方法需要具有該語言的編譯器，在新平臺上往往難以具備。另一種方法即建立一個虛擬機，然后用一個計算機語言，用一個解釋器來解釋執(zhí)行。采用該方法，難點在于嵌入式虛擬機的構建，要能夠適應多種環(huán)境、快速構建、可擴展。

FORTH是一種與眾不同的計算機程序設計語言。它具有極強的擴展性，通過字的定義，可實現不斷堆疊和擴展。同時，它又具有極好的交互性，指令可解釋執(zhí)行，這就為應用的調試帶來了極大的便捷。本文基于FORTH語言，以自主構建的JLPFORTH虛擬平臺為例，詳細闡述FORTH虛擬機的實現原理和核心實現方法，模擬和實現了通用的交互式計算機結構，實現了真實計算機的典型工作流程[4],并且一改過去FORTH代碼和數據混合存儲的方式，在內存的存儲上以分段的方式將內存分為CS、VS、DS、SS四個段，分別存儲指令和數據，這樣，就實現了系統(tǒng)指令和用戶數據的分離，有效地提高了代碼和系統(tǒng)的安全性，并且調試方便、擴展性強，尤其適合應用于對安全性、兼容性、移植性、擴展性、交互性要求高的嵌入式系統(tǒng)領域。

2.FORTH虛擬機實現原理

真實計算機的基本工作原理是存儲和控制。計算機在控制器的指揮下，取出預先存儲的指令序列（即程序）和數據，通過控制器譯碼，按指令的要求，取出數據完成運算，再把結果重新存儲起來，如此循環(huán)，直至完成全部指令。對真實計算機來說，這個過程依托中央處理器CPU來實現，CPU包括運算器、控制器和寄存器。如果描述CPU核心工作過程，主要包括以下步驟：

（1）提取程序計數器值，該值指向的地址即指令地址；

（2）從該地址取出指令；

（3）程序計數器增加指令長度，即指向下一條指令地址；

（4）解碼執(zhí)行指令；

（5）返回結果。

由于FORTH虛擬機是工作在真實計算機上的，因此要實現FORTH虛擬機必須用對應關系依托真實計算機的代碼來實現這個核心過程。

在FORTH虛擬機中，用核心算法--NEXT模擬了這個過程，將虛擬機指令和真實計算機指令實現對應，通過建立字典表，設置地址跳轉，以串線碼的方式將虛擬機命令字和直接機器指令實現對應，依托真實計算機指令完成了CPU的處理過程。如圖1所示。

具體過程是：在FORTH定義字時創(chuàng)建鏈結構的字典表，在其中存儲各個字的名稱、長度、狀態(tài)、指令碼以及鏈接指針。例如定義FORTH字S:S DUP *;在字典表存放了各個FORTH高級字的名稱和代碼執(zhí)行地址，其中也有S字的定義，在S字的代碼場中存有S字的代碼執(zhí)行地址，該代碼執(zhí)行地址與code所描述的直接機器執(zhí)行代碼相對應，構成間接串線編碼。當執(zhí)行該指令時，首先查找字典表，找到S定義后，取出其WPF指令碼中存放的地址，然后跳轉到代碼場該地址中，由于是FORTH高級字定義，所以首先執(zhí)行“:”機器碼將程序計數器所記錄的下一條指令返回地址壓入棧，然后跳轉到參數場地址依序執(zhí)行，直到最后的“;”返回指令執(zhí)行后，再將原先存入棧的返回地址彈出，這樣即完成一條指令的執(zhí)行。其中，代碼場和參數場分別存儲指令和參數。以下以JLP FORTH虛擬機為例，詳細描述其字典表、代碼場、參數場的定義、虛擬機存儲和指針的分配，以及核心算法。

3.指令的定義和存儲

FORTH虛擬計算機采用該虛擬指令的存儲地址來表示該指令，稱為“地址碼”.虛擬計算機的每個指令用名稱（例如+、-、*）來表示，稱為“字（Word）”.FORTH虛擬計算機的指令包括“復合字”和“基本字”.基本字也稱為“低級字”,由真實計算機機器碼和數據組成的，低級字組合可構成“復合字”,所以，“復合字”也稱為“高級字”.

高級字和低級字都可通過定義擴展。擴展高級字用“:”冒號定義，通過高級字定義用已有的指令形成新的指令。格式如下：

:名字 … leave … ;其中執(zhí)行l(wèi)eave指令可以跳出該FORTH字的執(zhí)行，忽略掉其后的指令。擴展低級字則用機器碼定義，格式如下：

CODE 名字 … … NEXT, END-CODE其中NEXT,指令可以讓計算機執(zhí)行下一條虛擬機指令。

對于真實計算機，用編譯器生成的指令碼序列中不需要保留指令名稱。FORTH虛擬計算機不同，由于需要虛擬機執(zhí)行和構造新的虛擬機指令，因此在虛擬計算機中要保留FORTH字的名稱，用于存儲FORTH字的存儲空間就是“字典表”.在JLP FORTH虛擬平臺中，字典表結構如表1,在圖1中也有標注。

WPF里存儲的指令碼即FORTH字在存儲空間的地址。由于允許FORTH字的名稱長度不一樣，因此采用鏈表結構可有效地存儲它們，在LPF中即存放了下一個字的定義地址。

代碼場和參數場用于共同存儲FORTH字，如表2.

其中CFA存放實現虛擬機功能的CPU機器碼開始地址。PFA依次存放組成它的虛擬機指令。對于基本字PFA的內容不一樣。對于一個常數基本字，PFA就直接存放這個常數。對于一個變量基本字，PFA就存放數據段中這個變量的地址[6].

4.內存和指針分配

以往FORTH并未將代碼和數據分開，在嵌入式應用中，往往指令和程序相對固定，而代碼和數據混合致使調試不方便，同時在系統(tǒng)安全上也帶來問題。在JLP FORTH虛擬機上，將內存分為代碼段CS、代碼空間VS、數據段DS、系統(tǒng)段SS四個部分。

（1）代碼段CS:存放真實計算機的機器指令、內存分配信息以及與硬件有關的系統(tǒng)數據。

（2）“代碼”空間VS:用來存放虛擬計算機的指令和字典。

（3）數據段DS:用來存放用戶數據和虛擬機的堆棧等數據。

（4）系統(tǒng)段SS:用來存放系統(tǒng)堆棧和多任務系統(tǒng)數據表等，達到分離系統(tǒng)任務和用戶，保證系統(tǒng)安全的目的。

采用這種存放方式，就可將CS和VS放在FLASH中，將DS和SS放在RAM,如此實現程序和數據的分離。這種新的虛擬機架構不僅可以適合嵌入式系統(tǒng)，也適合PC結構系統(tǒng)，而且更有利于內存保護的實現。

真實計算機主要依靠寄存器來實現加減乘除等運算。例如將AX和BX寄存器的內容相加結果放到AX中，因此寄存器的數量是衡量CPU運算能力的一個指標。FORTH虛擬計算機則采用直接面向運算過程的方法，采用堆棧的方式來實現簡單的運算，例如取出堆棧頂上的兩個數相加后，結果放回堆棧頂。對于復雜運算，直接用復合字或者機器碼寫出面向數據的算法，比如對矢量和矩陣的運算等。由于沒有寄存器的概念，只有表示系統(tǒng)工作狀態(tài)的各種系統(tǒng)變量以及實現系統(tǒng)運行的各種指針。為了提高虛擬計算機的執(zhí)行效率，用間接尋址的CPU寄存器來實現。對應關系如下（注：箭頭為在X86計算機中對應的寄存器）。

通過這些指針的定義，FORTH虛擬機可實現各種各樣復雜的算法。

5.NEXT核心算法與函數

FORTH虛擬機的核心算法--NEXT,它完成了指令的控制執(zhí)行過程。如借用以上描述，用形式化的方法表示為：

由于FORTH虛擬機是工作在真實計算機上，因此要實現FORTH虛擬機必須用真實計算機的代碼來實現這個核心過程，以X86匯編語言為例，其實現FORTH虛擬機核心過程的代碼為（16位地址空間）：

ES:BX,SI MOV

SI,#2 ADD

ES:[BX]JMP

從代碼可以看出，它非常象一個子過程或函數的調用。在真實計算機中，函數是非常常用的一個功能，是若干指令的有序集合。

在FORTH虛擬計算機中高級字就可認為是“函數”.表3是真實計算機和FORTH虛擬計算機在函數調用中的執(zhí)行過程對比。

6.實例

以下采用自下而上的編程方法，構造FORTH字P_DUMP用于查看內存基本信息，以此為例說明FORTH虛擬計算機相關程序的設計方法。參數有查看內存的段地址、偏移地址和區(qū)域長度。

7.結論

對于嵌入式應用來說，一個可擴展性好、可移植性好、可裁剪、實現快速，并且便于調試的嵌入式虛擬機，能給嵌入式應用的開發(fā)帶來極大的方便?；贔ORTH構筑的虛擬機，引入字典表完成指令和機器代碼的對應，并用字定義來完成指令的擴展，使系統(tǒng)的結構具有了極大的靈活性和擴展性，僅僅通過對基本字的堆疊、組合就可完成高級字的層層定義，實現極其復雜的系統(tǒng)。在JLP FORTH中存儲分段使得程序指令和數據能相對獨立，有效地增強了系統(tǒng)的安全性。這些設計思路使得在其上構建的FORTH虛擬機具有了代碼簡單、調試方便、安全性高、擴展性強等特點，特別適合應用于嵌入式系統(tǒng)中。