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FORTH虚拟机实现原理分析
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2017-10-17
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1.引言
虚拟机最初是美国计算机科学家波佩克（Popek）与戈德堡（Gerald）在虚拟化需求中给出了定义，专指有效的、孤立的真实计算机的副本，现在则指可像真实计算机一样运行程序的软件实现，包括跟任何真实计算机无关的虚拟机。根据运用和与机器的相关性可分为系统虚拟机和程序虚拟机，一个提供了完整的操作系统，另一个则以运行单个计算机程序为主。
在嵌入式应用领域，嵌入式系统相关的CPU芯片和微计算机硬件系统种类繁多，并且不断推陈出新，甚至多核处理器已被普遍采用。但是在新平台上，难以针对每一种芯片或平台制定一种计算机语言来编程。解决的方法一是可采用公共计算机语言，用不同的编译器来生成机器码，但该方法需要具有该语言的编译器，在新平台上往往难以具备。另一种方法即建立一个虚拟机，然后用一个计算机语言，用一个解释器来解释执行。采用该方法，难点在于嵌入式虚拟机的构建，要能够适应多种环境、快速构建、可扩展。
FORTH是一种与众不同的计算机程序设计语言。它具有极强的扩展性，通过字的定义，可实现不断堆叠和扩展。同时，它又具有极好的交互性，指令可解释执行，这就为应用的调试带来了极大的便捷。本文基于FORTH语言，以自主构建的JLPFORTH虚拟平台为例，详细阐述FORTH虚拟机的实现原理和核心实现方法，模拟和实现了通用的交互式计算机结构，实现了真实计算机的典型工作流程［4］，并且一改过去FORTH代码和数据混合存储的方式，在内存的存储上以分段的方式将内存分为CS、VS、DS、SS四个段，分别存储指令和数据，这样，就实现了系统指令和用户数据的分离，有效地提高了代码和系统的安全性，并且调试方便、扩展性强，尤其适合应用于对安全性、兼容性、移植性、扩展性、交互性要求高的嵌入式系统领域。
2.FORTH虚拟机实现原理
真实计算机的基本工作原理是存储和控制。计算机在控制器的指挥下，取出预先存储的指令序列（即程序）和数据，通过控制器译码，按指令的要求，取出数据完成运算，再把结果重新存储起来，如此循环，直至完成全部指令。对真实计算机来说，这个过程依托中央处理器CPU来实现，CPU包括运算器、控制器和寄存器。如果描述CPU核心工作过程，主要包括以下步骤：
（1）提取程序计数器值，该值指向的地址即指令地址；
（2）从该地址取出指令；
（3）程序计数器增加指令长度，即指向下一条指令地址；
（4）解码执行指令；
（5）返回结果。
由于FORTH虚拟机是工作在真实计算机上的，因此要实现FORTH虚拟机必须用对应关系依托真实计算机的代码来实现这个核心过程。
在FORTH虚拟机中，用核心算法--NEXT模拟了这个过程，将虚拟机指令和真实计算机指令实现对应，通过建立字典表，设置地址跳转，以串线码的方式将虚拟机命令字和直接机器指令实现对应，依托真实计算机指令完成了CPU的处理过程。如图1所示。
具体过程是：在FORTH定义字时创建链结构的字典表，在其中存储各个字的名称、长度、状态、指令码以及链接指针。例如定义FORTH字S:S DUP *;在字典表存放了各个FORTH高级字的名称和代码执行地址，其中也有S字的定义，在S字的代码场中存有S字的代码执行地址，该代码执行地址与code所描述的直接机器执行代码相对应，构成间接串线编码。当执行该指令时，首先查找字典表，找到S定义后，取出其WPF指令码中存放的地址，然后跳转到代码场该地址中，由于是FORTH高级字定义，所以首先执行“：”机器码将程序计数器所记录的下一条指令返回地址压入栈，然后跳转到参数场地址依序执行，直到最后的“;”返回指令执行后，再将原先存入栈的返回地址弹出，这样即完成一条指令的执行。其中，代码场和参数场分别存储指令和参数。以下以JLP FORTH虚拟机为例，详细描述其字典表、代码场、参数场的定义、虚拟机存储和指针的分配，以及核心算法。
3.指令的定义和存储
FORTH虚拟计算机采用该虚拟指令的存储地址来表示该指令，称为“地址码”。虚拟计算机的每个指令用名称（例如+、-、*）来表示，称为“字（Word）”。FORTH虚拟计算机的指令包括“复合字”和“基本字”。基本字也称为“低级字”，由真实计算机机器码和数据组成的，低级字组合可构成“复合字”，所以，“复合字”也称为“高级字”。
高级字和低级字都可通过定义扩展。扩展高级字用“：”冒号定义，通过高级字定义用已有的指令形成新的指令。格式如下：
：名字 … leave … ;其中执行leave指令可以跳出该FORTH字的执行，忽略掉其后的指令。扩展低级字则用机器码定义，格式如下：
CODE名字 … … NEXT， END-CODE其中NEXT，指令可以让计算机执行下一条虚拟机指令。
对于真实计算机，用编译器生成的指令码序列中不需要保留指令名称。FORTH虚拟计算机不同，由于需要虚拟机执行和构造新的虚拟机指令，因此在虚拟计算机中要保留FORTH字的名称，用于存储FORTH字的存储空间就是“字典表”。在JLP FORTH虚拟平台中，字典表结构如表1，在图1中也有标注。
WPF里存储的指令码即FORTH字在存储空间的地址。由于允许FORTH字的名称长度不一样，因此采用链表结构可有效地存储它们，在LPF中即存放了下一个字的定义地址。
虚拟机最初是美国计算机科学家波佩克（Popek）与戈德堡（Gerald）在虚拟化需求中给出了定义，专指有效的、孤立的真实计算机的副本，现在则指可像真实计算机一样运行程序的软件实现，包括跟任何真实计算机无关的虚拟机。根据运用和与机器的相关性可分为系统虚拟机和程序虚拟机，一个提供了完整的操作系统，另一个则以运行单个计算机程序为主。
在嵌入式应用领域，嵌入式系统相关的CPU芯片和微计算机硬件系统种类繁多，并且不断推陈出新，甚至多核处理器已被普遍采用。但是在新平台上，难以针对每一种芯片或平台制定一种计算机语言来编程。解决的方法一是可采用公共计算机语言，用不同的编译器来生成机器码，但该方法需要具有该语言的编译器，在新平台上往往难以具备。另一种方法即建立一个虚拟机，然后用一个计算机语言，用一个解释器来解释执行。采用该方法，难点在于嵌入式虚拟机的构建，要能够适应多种环境、快速构建、可扩展。
FORTH是一种与众不同的计算机程序设计语言。它具有极强的扩展性，通过字的定义，可实现不断堆叠和扩展。同时，它又具有极好的交互性，指令可解释执行，这就为应用的调试带来了极大的便捷。本文基于FORTH语言，以自主构建的JLPFORTH虚拟平台为例，详细阐述FORTH虚拟机的实现原理和核心实现方法，模拟和实现了通用的交互式计算机结构，实现了真实计算机的典型工作流程［4］，并且一改过去FORTH代码和数据混合存储的方式，在内存的存储上以分段的方式将内存分为CS、VS、DS、SS四个段，分别存储指令和数据，这样，就实现了系统指令和用户数据的分离，有效地提高了代码和系统的安全性，并且调试方便、扩展性强，尤其适合应用于对安全性、兼容性、移植性、扩展性、交互性要求高的嵌入式系统领域。
2.FORTH虚拟机实现原理
真实计算机的基本工作原理是存储和控制。计算机在控制器的指挥下，取出预先存储的指令序列（即程序）和数据，通过控制器译码，按指令的要求，取出数据完成运算，再把结果重新存储起来，如此循环，直至完成全部指令。对真实计算机来说，这个过程依托中央处理器CPU来实现，CPU包括运算器、控制器和寄存器。如果描述CPU核心工作过程，主要包括以下步骤：
（1）提取程序计数器值，该值指向的地址即指令地址；
（2）从该地址取出指令；
（3）程序计数器增加指令长度，即指向下一条指令地址；
（4）解码执行指令；
（5）返回结果。
由于FORTH虚拟机是工作在真实计算机上的，因此要实现FORTH虚拟机必须用对应关系依托真实计算机的代码来实现这个核心过程。
在FORTH虚拟机中，用核心算法--NEXT模拟了这个过程，将虚拟机指令和真实计算机指令实现对应，通过建立字典表，设置地址跳转，以串线码的方式将虚拟机命令字和直接机器指令实现对应，依托真实计算机指令完成了CPU的处理过程。如图1所示。
具体过程是：在FORTH定义字时创建链结构的字典表，在其中存储各个字的名称、长度、状态、指令码以及链接指针。例如定义FORTH字S:S DUP *;在字典表存放了各个FORTH高级字的名称和代码执行地址，其中也有S字的定义，在S字的代码场中存有S字的代码执行地址，该代码执行地址与code所描述的直接机器执行代码相对应，构成间接串线编码。当执行该指令时，首先查找字典表，找到S定义后，取出其WPF指令码中存放的地址，然后跳转到代码场该地址中，由于是FORTH高级字定义，所以首先执行“：”机器码将程序计数器所记录的下一条指令返回地址压入栈，然后跳转到参数场地址依序执行，直到最后的“;”返回指令执行后，再将原先存入栈的返回地址弹出，这样即完成一条指令的执行。其中，代码场和参数场分别存储指令和参数。以下以JLP FORTH虚拟机为例，详细描述其字典表、代码场、参数场的定义、虚拟机存储和指针的分配，以及核心算法。
3.指令的定义和存储
FORTH虚拟计算机采用该虚拟指令的存储地址来表示该指令，称为“地址码”。虚拟计算机的每个指令用名称（例如+、-、*）来表示，称为“字（Word）”。FORTH虚拟计算机的指令包括“复合字”和“基本字”。基本字也称为“低级字”，由真实计算机机器码和数据组成的，低级字组合可构成“复合字”，所以，“复合字”也称为“高级字”。
高级字和低级字都可通过定义扩展。扩展高级字用“：”冒号定义，通过高级字定义用已有的指令形成新的指令。格式如下：
：名字 … leave … ;其中执行leave指令可以跳出该FORTH字的执行，忽略掉其后的指令。扩展低级字则用机器码定义，格式如下：
CODE名字 … … NEXT， END-CODE其中NEXT，指令可以让计算机执行下一条虚拟机指令。
对于真实计算机，用编译器生成的指令码序列中不需要保留指令名称。FORTH虚拟计算机不同，由于需要虚拟机执行和构造新的虚拟机指令，因此在虚拟计算机中要保留FORTH字的名称，用于存储FORTH字的存储空间就是“字典表”。在JLP FORTH虚拟平台中，字典表结构如表1，在图1中也有标注。
WPF里存储的指令码即FORTH字在存储空间的地址。由于允许FORTH字的名称长度不一样，因此采用链表结构可有效地存储它们，在LPF中即存放了下一个字的定义地址。
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