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.

栈

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

程序地址：
程序从 0x0000H 开始。
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

入口
用 MAIN 标记入口，一个程序必须有一个 MAIN。
子程序
用 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
```
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
```
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

Blog: https://openlab.ezlinker.cn
Mail: cnwwhai@gmail.com

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）