本章我们要构建一台虚拟的电脑，设计我们自己的指令集，运行我们的指令集，说得通俗一点就是自己实现一套汇编语言。它们将作为我们的编译器最终输出的目标代码。
计算机的内部工作原理
我们关心计算机的三个基本部件：CPU、寄存器及内存。代码（汇编指令）以二进制的形式保存在内存中，CPU 从中一条条地加载指令执行。程序运行的状态保存在寄存器中。
内存
我们从内存开始说起。现代的操作系统都不直接使用内存，而是使用虚拟内存。虚拟内存可以理解为一种映射，在我们的程序眼中，我们可以使用全部的内存地址，而操作系统需要将它映射到实际的内存上。当然，这些并不重要，重要的是一般而言，进程的内存会被分成几个段：
1.代码段（text）用于存放代码（指令）。
2.数据段（data）用于存放初始化了的数据，如int i = 10;，就需要存放到数据段中。
3.未初始化数据段（bss）用于存放未初始化的数据，如int i[1000];，因为不关心其中的真正数值，所以单独存放可以节省空间，减少程序的体积。
4.栈（stack）用于处理函数调用相关的数据，如调用帧（calling frame）或是函数的局部变量等。
5.堆（heap）用于为程序动态分配内存。
它们在内存中的位置类似于下图：
推荐C语言编程学习交流群：941636044，大量学习资料免费下载！
但我们的虚拟机并不模拟完整的计算机，我们只关心三个内容：代码段、数据段以及栈。其中的数据段我们只存放字符串，因为我们的编译器并不支持初始化变量，因此我们也不需要未初始化数据段。理论上我们的虚拟器需要维护自己的堆用于内存分配，但实际实现上较为复杂且与编译无关，故我们引入一个指令MSET，使我们能直接使用编译器（解释器）中的内存。
综上，我们需要首先在全局添加如下代码：
int *text, // text segment
*old_text, // for dump text segment
*stack; // stack
char *data; // data segment
注意这里的类型，虽然是int型，但理解起来应该作为无符号的整型，因为我们会在代码段（text）中存放如指针/内存地址的数据，它们就是无符号的。其中数据段（data）由于只存放字符串，所以是char *型的
接着，在main函数中加入初始化代码，真正为其分配内存：
int main() {
close(fd);
...
// allocate memory for virtual machine
if (!(text = old_text = malloc(poolsize))) {
printf("could not malloc(%d) for text area\n", poolsize);
return -1;
}
if (!(data = malloc(poolsize))) {
printf("could not malloc(%d) for data area\n", poolsize);
return -1;
}
if (!(stack = malloc(poolsize))) {
printf("could not malloc(%d) for stack area\n", poolsize);
return -1;
}
memset(text, 0, poolsize);
memset(data, 0, poolsize);
memset(stack, 0, poolsize);
...
program();
寄存器
计算机中的寄存器用于存放计算机的运行状态，真正的计算机中有许多不同种类的寄存器，但我们的虚拟机中只使用 4 个寄存器，分别如下：
1.PC程序计数器，它存放的是一个内存地址，该地址中存放着下一条要执行的计算机指令。
2.SP指针寄存器，永远指向当前的栈顶。注意的是由于栈是位于高地址并向低地址增长的，所以入栈时SP的值减小。
3.BP基址指针。也是用于指向栈的某些位置，在调用函数时会使用到它。
4.AX通用寄存器，我们的虚拟机中，它用于存放一条指令执行后的结果。
要理解这些寄存器的作用，需要去理解程序运行中会有哪些状态。而这些寄存器只是用于保存这些状态的。
在全局中加入如下定义：
int *pc, *bp, *sp, ax, cycle; // virtual machine registers
在main函数中加入初始化代码，注意的是PC在初始应指向目标代码中的main函数，但我们还没有写任何编译相关的代码，因此先不处理。代码如下：
memset(stack, 0, poolsize);
...
bp = sp = (int *)((int)stack + poolsize);
ax = 0;
...
program();
与 CPU 相关的是指令集，我们将专门作为一个小节。
指令集
指令集是 CPU 能识别的命令的集合，也可以说是 CPU 能理解的语言。这里我们要为我们的虚拟机构建自己的指令集。它们基于 x86 的指令集，但要更为简单。
首先在全局变量中加入一个枚举类型，这是我们要支持的全部指令：
// instructions
enum { LEA ,IMM ,JMP ,CALL,JZ ,JNZ ,ENT ,ADJ ,LEV ,LI ,LC ,SI ,SC ,PUSH,
OR ,XOR ,AND ,EQ ,NE ,LT ,GT ,LE ,GE ,SHL ,SHR ,ADD ,SUB ,MUL ,DIV ,MOD ,
OPEN,READ,CLOS,PRTF,MALC,MSET,MCMP,EXIT };
这些指令的顺序安排是有意的，稍后你会看到，带有参数的指令在前，没有参数的指令在后。这种顺序的唯一作用就是在打印调试信息时更加方便。但我们讲解的顺序并不依据它。
MOV
MOV是所有指令中最基础的一个，它用于将数据放进寄存器或内存地址，有点类似于 C 语言中的赋值语句。x86 的MOV指令有两个参数，分别是源地址和目标地址：MOV dest, source（Intel 风格），表示将source的内容放在dest中，它们可以是一个数、寄存器或是一个内存地址。
一方面，我们的虚拟机只有一个寄存器，另一方面，识别这些参数的类型（是数还是地址）是比较困难的，因此我们将MOV指令拆分成 5 个指令，这些指令只接受一个参数，如下：
1.IMM <num>将<num>放入寄存器ax中。
2.LC将对应地址中的字符载入ax中，要求ax中存放地址。
3.LI将对应地址中的整数载入ax中，要求ax中存放地址。
4.SC将ax中的数据作为字符存放入地址中，要求栈顶存放地址。
5.SI将ax中的数据作为整数存放入地址中，要求栈顶存放地址。
你可能会觉得将一个指令变成了许多指令，整个系统就变得复杂了，但实际情况并非如此。首先是MOV指令其实有许多变种，根据类型的不同有MOVB,MOVW等指令，我们这里的LC/SC和LI/SI就是对应字符型和整型的存取操作。
但最为重要的是，通过将MOV指令拆分成这些指令，只有IMM需要有参数，且不需要判断类型，所以大大简化了实现的难度。
在eval()函数中加入下列代码：
void eval() {
int op, *tmp;
while (1) {
if (op == IMM) {ax = *pc++;} // load immediate value to ax
else if (op == LC) {ax = *(char *)ax;} // load character to ax, address in ax
else if (op == LI) {ax = *(int *)ax;} // load integer to ax, address in ax
else if (op == SC) {ax = *(char *)*sp++ = ax;} // save character to address, value in ax, address on stack
else if (op == SI) {*(int *)*sp++ = ax;} // save integer to address, value in ax, address on stack
}
...
return 0;
}
其中的*sp++的作用是退栈，相当于POP操作。
这里要解释的一点是，为什么SI/SC指令中，地址存放在栈中，而LI/LC中，地址存放在ax中？原因是默认计算的结果是存放在ax中的，而地址通常是需要通过计算获得，所以执行LI/LC时直接从ax取值会更高效。另一点是我们的PUSH指令只能将ax的值放到栈上，而不能以值作为参数，详细见下文。
PUSH
在 x86 中，PUSH的作用是将值或寄存器，而在我们的虚拟机中，它的作用是将ax的值放入栈中。这样做的主要原因是为了简化虚拟机的实现，并且我们也只有一个寄存器ax。代码如下：
else if (op == PUSH) {*--sp = ax;} // push the value of ax onto the stack
JMP
JMP <addr>是跳转指令，无条件地将当前的PC寄存器设置为指定的<addr>，实现如下：
else if (op == JMP) {pc = (int *)*pc;} // jump to the address
要记得，pc寄存器指向的是下一条指令。所以此时它存放的是JMP指令的参数，即<addr>的值。
JZ/JNZ
为了实现if语句，我们需要条件判断相关的指令。这里我们只实现两个最简单的条件判断，即结果（ax）为零或不为零情况下的跳转。
实现如下：
else if (op == JZ) {pc = ax ? pc + 1 : (int *)*pc;} // jump if ax is zero
else if (op == JNZ) {pc = ax ? (int *)*pc : pc + 1;} // jump if ax is zero
子函数调用
这是汇编中最难理解的部分，所以合在一起说，要引入的命令有CALL,ENT,ADJ及LEV。
首先我们介绍CALL <addr>与RET指令，CALL的作用是跳转到地址为<addr>的子函数，RET则用于从子函数中返回。
为什么不能直接使用JMP指令呢？原因是当我们从子函数中返回时，程序需要回到跳转之前的地方继续运行，这就需要事先将这个位置信息存储起来。反过来，子函数要返回时，就需要获取并恢复这个信息。因此实际中我们将PC保存在栈中。如下：
else if (op == CALL) {*--sp = (int)(pc+1); pc = (int *)*pc;} // call subroutine
//else if (op == RET) {pc = (int *)*sp++;} // return from subroutine;
这里我们把RET相关的内容注释了，是因为之后我们将用LEV指令来代替它。
在实际调用函数时，不仅要考虑函数的地址，还要考虑如何传递参数和如何返回结果。这里我们约定，如果子函数有返回结果，那么就在返回时保存在ax中，它可以是一个值，也可以是一个地址。那么参数的传递呢？
各种编程语言关于如何调用子函数有不同的约定，例如 C 语言的调用标准是：
1.由调用者将参数入栈。
2.调用结束时，由调用者将参数出栈。
3.参数逆序入栈。
事先声明一下，我们的编译器参数是顺序入栈的，下面的例子（C 语言调用标准）取自维基百科：
int callee(int, int, int);
int caller(void)
{
int i, ret;
ret = callee(1, 2, 3);
ret += 5;
return ret;
}
会生成如下的 x86 汇编代码：
caller:
; make new call frame
push ebp
mov ebp, esp
sub 1, esp ; save stack for variable: i
; push call arguments
push 3
push 2
push 1
; call subroutine 'callee'
call callee
; remove arguments from frame
add esp, 12
; use subroutine result
add eax, 5
; restore old call frame
mov esp, ebp
pop ebp
; return
ret
上面这段代码在我们自己的虚拟机里会有几个问题：
push ebp，但我们的PUSH指令并无法指定寄存器。
mov ebp, esp，我们的MOV指令同样功能不足。
add esp, 12，也是一样的问题（尽管我们还没定义）。
也就是说由于我们的指令过于简单（如只能操作ax寄存器），所以用上面提到的指令，我们连函数调用都无法实现。而我们又不希望扩充现有指令的功能，因为这样实现起来就会变得复杂，因此我们采用的方法是增加指令集。毕竟我们不是真正的计算机，增加指令会消耗许多资源（钱）。
ENT
ENT <size>指的是enter，用于实现 ‘make new call frame’ 的功能，即保存当前的栈指针，同时在栈上保留一定的空间，用以存放局部变量。对应的汇编代码为：
; make new call frame
push ebp
mov ebp, esp
sub 1, esp ; save stack for variable: i
实现如下：
else if (op == ENT) {*--sp = (int)bp; bp = sp; sp = sp - *pc++;} // make new stack frame
ADJ
ADJ <size>用于实现 ‘remove arguments from frame’。在将调用子函数时压入栈中的数据清除，本质上是因为我们的ADD指令功能有限。对应的汇编代码为：
; remove arguments from frame
add esp, 12
实现如下：
else if (op == ADJ) {sp = sp + *pc++;} // add esp, <size>
LEV
本质上这个指令并不是必需的，只是我们的指令集中并没有POP指令。并且三条指令写来比较麻烦且浪费空间，所以用一个指令代替。对应的汇编指令为：
; restore old call frame
mov esp, ebp
pop ebp
; return
ret
具体的实现如下：
else if (op == LEV) {sp = bp; bp = (int *)*sp++; pc = (int *)*sp++;} // restore call frame and PC
注意的是，LEV已经把RET的功能包含了，所以我们不再需要RET指令。
LEA
上面的一些指令解决了调用帧的问题，但还有一个问题是如何在子函数中获得传入的参数。这里我们首先要了解的是当参数调用时，栈中的调用帧是什么样的。我们依旧用上面的例子（只是现在用“顺序”调用参数）：
sub_function(arg1, arg2, arg3);
| .... | high address
+---------------+
| arg: 1 | new_bp + 4
+---------------+
| arg: 2 | new_bp + 3
+---------------+
| arg: 3 | new_bp + 2
+---------------+
|return address | new_bp + 1
+---------------+
| old BP | <- new BP
+---------------+
| local var 1 | new_bp - 1
+---------------+
| local var 2 | new_bp - 2
+---------------+
| .... | low address
所以为了获取第一个参数，我们需要得到new_bp + 4，但就如上面的说，我们的ADD指令无法操作除ax外的寄存器，所以我们提供了一个新的指令：LEA <offset>
实现如下：
else if (op == LEA) {ax = (int)(bp + *pc++);} // load address for arguments.
以上就是我们为了实现函数调用需要的指令了。
运算符指令
我们为 C 语言中支持的运算符都提供对应汇编指令。每个运算符都是二元的，即有两个参数，第一个参数放在栈顶，第二个参数放在ax中。这个顺序要特别注意。因为像-，/之类的运算符是与参数顺序有关的。计算后会将栈顶的参数退栈，结果存放在寄存器ax中。因此计算结束后，两个参数都无法取得了（汇编的意义上，存在内存地址上就另当别论）。
实现如下：
else if (op == OR) ax = *sp++ | ax;
else if (op == XOR) ax = *sp++ ^ ax;
else if (op == AND) ax = *sp++ & ax;
else if (op == EQ) ax = *sp++ == ax;
else if (op == NE) ax = *sp++ != ax;
else if (op == LT) ax = *sp++ < ax;
else if (op == LE) ax = *sp++ <= ax;
else if (op == GT) ax = *sp++ > ax;
else if (op == GE) ax = *sp++ >= ax;
else if (op == SHL) ax = *sp++ << ax;
else if (op == SHR) ax = *sp++ >> ax;
else if (op == ADD) ax = *sp++ + ax;
else if (op == SUB) ax = *sp++ - ax;
else if (op == MUL) ax = *sp++ * ax;
else if (op == DIV) ax = *sp++ / ax;
else if (op == MOD) ax = *sp++ % ax;
内置函数
程序要有用，除了核心的逻辑外还需要输入输出，如 C 语言中我们经常使用的printf函数就是用于输出。但是printf函数的实现本身就十分复杂，如果我们的编译器要达到自举，就势必要实现printf之类的函数，但它又与编译器没有太大的联系，因此我们继续实现新的指令，从虚拟机的角度予以支持。
编译器中我们需要用到的函数有：exit,open,close,read,printf,malloc,memset及memcmp。代码如下：
else if (op == EXIT) { printf("exit(%d)", *sp); return *sp;}
else if (op == OPEN) { ax = open((char *)sp[1], sp[0]); }
else if (op == CLOS) { ax = close(*sp);}
else if (op == READ) { ax = read(sp[2], (char *)sp[1], *sp); }
else if (op == PRTF) { tmp = sp + pc[1]; ax = printf((char *)tmp[-1], tmp[-2], tmp[-3], tmp[-4], tmp[-5], tmp[-6]); }
else if (op == MALC) { ax = (int)malloc(*sp);}
else if (op == MSET) { ax = (int)memset((char *)sp[2], sp[1], *sp);}
else if (op == MCMP) { ax = memcmp((char *)sp[2], (char *)sp[1], *sp);}
这里的原理是，我们的电脑上已经有了这些函数的实现，因此编译编译器时，这些函数的二进制代码就被编译进了我们的编译器，因此在我们的编译器/虚拟机上运行我们提供的这些指令时，这些函数就是可用的。换句话说就是不需要我们自己去实现了。
最后再加上一个错误判断：
else {
printf("unknown instruction:%d\n", op);
return -1;
}
测试
下面我们用我们的汇编写一小段程序，来计算10+20，在main函数中加入下列代码：
int main(int argc, char *argv[])
{
ax = 0;
...
i = 0;
text[i++] = IMM;
text[i++] = 10;
text[i++] = PUSH;
text[i++] = IMM;
text[i++] = 20;
text[i++] = ADD;
text[i++] = PUSH;
text[i++] = EXIT;
pc = text;
...
program();
}
编译程序gcc xc-tutor.c，运行程序：./a.out hello.c。输出
exit(30)
注意我们的之前的程序需要指令一个源文件，只是现在还用不着，但从结果可以看出，我们的虚拟机还是工作良好的。
小结
本章中我们回顾了计算机的内部运行原理，并仿照 x86 汇编指令设计并实现了我们自己的指令集。
实际计算机中，添加一个新的指令需要设计许多新的电路，会增加许多的成本，但我们的需要机中，新的指令几乎不消耗资源，因此我们可以利用这一点，用更多的指令来完成更多的功能，从而简化具体的实现。如果想一起交流的可以加这个群：941636044 ，有什么问题可以群里面交流，群里面也有一些方便学习C语言C++编程的资料可以给你利用。
网友评论