JIT动态编译器的原理与实现之Interpreter3
接下来，就是要实现一个虚拟机了。记得编码高质量的代码中有一条：不要过早地优化你的代码。所以，也本着循序渐进的原则，我将从实现一个解释器开始，逐步过渡到JIT动态编译器，这样的演化可以使原理看起来更清晰。
解释器的原理很简单，就是一条指令一条指令的解释并执行。具体流程分为：取出指令-解码指令-执行-返回主流程。这样形成一个无限循环，如下图所示：
这里的主流程就是上篇定义的程序rom.bin。但rom.bin不能直接运行，需要一个解释器来包裹它，来解释执行。解释器放在一个无限循环中，使得主流程无限运行不停止：
void
loop()
{
for
(;;)
{
Interpreter(&CPUREG);
}
}
|
这样，整个虚拟机的运行可以定义为：
memInit();
//初始化内存
ResetCPU(&CPUREG);
//初始化CPU
loadROM();
//加载rom.bin
loop();
//执行主流程
memFree();
//释放内存
|
接下来需要做的就是取出指令送入解释器了。为此需要定义读写内存的函数memGet和memSet：
void
memSet(unsigned
int
, unsigned
char
);
unsigned
char
memGet(unsigned
int
);
void
memSet(unsigned
int
addr, unsigned
char
data)
{
char
Str_Err[256];
if
(addr>64)
{
sprintf
(Str_Err,
"MEM: invalid mem write: 0x%8x"
, addr);
MessageBox(NULL, Str_Err,
"Warning"
, MB_OK);
}
else
{
RAM[addr & 0xff]=data;
}
}
unsigned
char
memGet(unsigned
int
addr)
{
char
Str_Err[256];
unsigned
char
val = 0;
if
(addr>64)
{
sprintf
(Str_Err,
"MEM: invalid mem read: 0x%8x"
, addr);
MessageBox(NULL, Str_Err,
"Warning"
, MB_OK);
}
else
{
val=RAM[addr & 0xff];
}
return
val;
}
|
读写均为一个字节。由于上篇定义的CPU寻址范围只有64字节大小，所以超过64字节就要给出错误提示。
然后需要为每一个CPU指令机器码实现一个解码执行函数：
void
nop(REG*);
void
mov(REG*);
void
add(REG*);
void
cmp(REG*);
void
jmp(REG*);
void
jcp(REG*);
void
nop(REG* cpuREG)
{
cpuREG->R_PC++;
sprintf
(
"NOP\n"
);
}
void
mov(REG* cpuREG)
{
memSet(cpuREG->R_PC+1, memGet(cpuREG->R_PC+2));
sprintf
(
"MOV [0x%4x], [0x%4x]\n"
, cpuREG->R_PC+1, cpuREG->R_PC+2);
cpuREG->R_PC+=3;
}
void
add(REG* cpuREG)
{
memSet(cpuREG->R_PC+1, memGet(cpuREG->R_PC+1)+memGet(cpuREG->R_PC+2));
sprintf
(
"ADD [0x%4x], [0x%4x]\n"
, cpuREG->R_PC+1, cpuREG->R_PC+2);
cpuREG->R_PC+=3;
}
void
cmp(REG* cpuREG)
{
if
((memGet(cpuREG->R_PC+1)-memGet(cpuREG->R_PC+2)) < 0)
{
cpuREG->R_CMP=0;
}
else
{
cpuREG->R_CMP=1;
}
sprintf
(
"CMP [0x%4x], [0x%4x]\n"
, cpuREG->R_PC+1, cpuREG->R_PC+2);
cpuREG->R_PC+=3;
}
void
jmp(REG* cpuREG)
{
sprintf
(
"JMP [0x%4x] \n"
, cpuREG->R_PC+1);
cpuREG->R_PC=memGet(cpuREG->R_PC+1);
}
void
jcp(REG* cpuREG)
{
sprintf
(
"JCP [0x%4x], [0x%4x]\n"
, cpuREG->R_PC+1, cpuREG->R_PC+2);
if
(cpuREG->R_CMP==0)
{
cpuREG->R_PC=memGet(cpuREG->R_PC+1);
}
else
{
cpuREG->R_PC=memGet(cpuREG->R_PC+2);
}
}
|
这里最重要的是要小心处理PC寄存器。一开始CPU初始化的时候，PC寄存器是设为0的，而自定义的rom.bin也是从0地址开始执行的。如果你虚拟的CPU不是从0地址开始执行，那么在CPU初始化的时候就要把PC寄存器设为相应的开始地址。另外每一条指令可能涉及的地址数不相同，那么PC寄存器的变动也要不同。最后，跳转指令也可能要根据比较寄存器的内容来改变PC寄存器。
做了如上的准备之后就可以实现解释器了。这里用switch-case结构来决定哪条指令被执行。为了简单起见，用了一个函数指针来执行解码函数：
void
(*func)(REG*);
//Interpreter
void
Interpreter(REG* cpuREG)
{
char
Str_Err[256];
switch
(memGet(cpuREG->R_PC))
{
case
0:
func=nop;
break
;
case
1:
func=mov;
break
;
case
2:
func=add;
break
;
case
3:
func=cmp;
break
;
case
4:
func=jmp;
break
;
case
5:
func=jcp;
break
;
default
:
sprintf
(Str_Err,
"Unhandled Opcode (0x%4x) at [0x%4x]"
, memGet(cpuREG->R_PC), cpuREG->R_PC);
MessageBox(NULL, Str_Err,
"Warning"
, MB_OK);
return
;
}
func(cpuREG);
}
|
首先从内存中取出数据，根据机器码来决定执行解码函数，最后执行。执行结果如下：
