嵌入式FORTH虛擬計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)

【摘要】在嵌入式領(lǐng)域，如何降低系統(tǒng)與運(yùn)行環(huán)境之間的相關(guān)性，在各種異構(gòu)的嵌入式平臺(tái)上快速構(gòu)建系統(tǒng)一直是研究的重點(diǎn)。本文基于FORTH語(yǔ)言，通過(guò)對(duì)虛擬機(jī)工作原理的分析，以自主構(gòu)建的JLP FORTH虛擬平臺(tái)為例，描述了虛擬機(jī)的實(shí)現(xiàn)原理、指令定義、存儲(chǔ)方法和核心算法，并且在存儲(chǔ)上提出以分段的方式分離代碼和數(shù)據(jù)，通過(guò)該方法構(gòu)建的FORTH虛擬機(jī)具有了更高的系統(tǒng)安全性，并且調(diào)試方便、擴(kuò)展性強(qiáng)，特別適合應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)。

【關(guān)鍵詞】FORTH；虛擬計(jì)算機(jī)

1.引言

虛擬機(jī)最初是美國(guó)計(jì)算機(jī)科學(xué)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(shí)計(jì)算機(jī)的副本[1]，現(xiàn)在則指可像真實(shí)計(jì)算機(jī)一樣運(yùn)行程序的軟件實(shí)現(xiàn)，包括跟任何真實(shí)計(jì)算機(jī)無(wú)關(guān)的虛擬機(jī)[2]。根據(jù)運(yùn)用和與機(jī)器的相關(guān)性可分為系統(tǒng)虛擬機(jī)和程序虛擬機(jī)，一個(gè)提供了完整的操作系統(tǒng)，另一個(gè)則以運(yùn)行單個(gè)計(jì)算機(jī)程序?yàn)橹?。在嵌入式?yīng)用領(lǐng)域，嵌入式系統(tǒng)相關(guān)的CPU芯片和微計(jì)算機(jī)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[3]。但是在新平臺(tái)上，難以針對(duì)每一種芯片或平臺(tái)制定一種計(jì)算機(jī)語(yǔ)言來(lái)編程。解決的方法一是可采用公共計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，用不同的編譯器來(lái)生成機(jī)器碼，但該方法需要具有該語(yǔ)言的編譯器，在新平臺(tái)上往往難以具備。另一種方法即建立一個(gè)虛擬機(jī)，然后用一個(gè)計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，用一個(gè)解釋器來(lái)解釋執(zhí)行[4]。采用該方法，難點(diǎn)在于嵌入式虛擬機(jī)的構(gòu)建，要能夠適應(yīng)多種環(huán)境、快速構(gòu)建、可擴(kuò)展。FORTH是一種與眾不同的計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。它具有極強(qiáng)的擴(kuò)展性，通過(guò)字的定義，可實(shí)現(xiàn)不斷堆疊和擴(kuò)展。同時(shí)，它又具有極好的交互性，指令可解釋執(zhí)行，這就為應(yīng)用的調(diào)試帶來(lái)了極大的便捷。本文基于FORTH語(yǔ)言，以自主構(gòu)建的JLP FORTH虛擬平臺(tái)為例，詳細(xì)闡述FORTH虛擬機(jī)的實(shí)現(xiàn)原理和核心實(shí)現(xiàn)方法，模擬和實(shí)現(xiàn)了通用的交互式計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了真實(shí)計(jì)算機(jī)的典型工作流程[4]，并且一改過(guò)去FORTH代碼和數(shù)據(jù)混合存儲(chǔ)的方式，在內(nèi)存的存儲(chǔ)上以分段的方式將內(nèi)存分為CS、VS、DS、SS四個(gè)段，分別存儲(chǔ)指令和數(shù)據(jù)，這樣，就實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)指令和用戶數(shù)據(jù)的分離，有效地提高了代碼和系統(tǒng)的安全性，并且調(diào)試方便、擴(kuò)展性強(qiáng)，尤其適合應(yīng)用于對(duì)安全性、兼容性、移植性、擴(kuò)展性、交互性要求高的嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域。

2.FORTH虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)原理

真實(shí)計(jì)算機(jī)的基本工作原理是存儲(chǔ)和控制。計(jì)算機(jī)在控制器的指揮下，取出預(yù)先存儲(chǔ)的指令序列（即程序）和數(shù)據(jù)，通過(guò)控制器譯碼，按指令的要求，取出數(shù)據(jù)完成運(yùn)算，再把結(jié)果重新存儲(chǔ)起來(lái)，如此循環(huán)，直至完成全部指令。對(duì)真實(shí)計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)，這個(gè)過(guò)程依托中央處理器CPU來(lái)實(shí)現(xiàn)，CPU包括運(yùn)算器、控制器和寄存器。如果描述CPU核心工作過(guò)程，主要包括以下步驟：（1）提取程序計(jì)數(shù)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(jì)數(shù)器增加指令長(zhǎng)度，即指向下一條指令地址；（4）解碼執(zhí)行指令；（5）返回結(jié)果。

由于FORTH虛擬機(jī)是工作在真實(shí)計(jì)算機(jī)上的，因此要實(shí)現(xiàn)FORTH虛擬機(jī)必須用對(duì)應(yīng)關(guān)系依托真實(shí)計(jì)算機(jī)的代碼來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)核心過(guò)程。在FORTH虛擬機(jī)中，用核心算法——NEXT模擬了這個(gè)過(guò)程，將虛擬機(jī)指令和真實(shí)計(jì)算機(jī)指令實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)，通過(guò)建立字典表，設(shè)置地址跳轉(zhuǎn)，以串線碼的方式將虛擬機(jī)命令字和直接機(jī)器指令實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)，依托真實(shí)計(jì)算機(jī)指令完成了CPU的處理過(guò)程[6]。如圖1所示。

在字典表存放了各個(gè)FORTH高級(jí)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(chǎng)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(jī)器執(zhí)行代碼相對(duì)應(yīng)，構(gòu)成間接串線編碼。當(dāng)執(zhí)行該指令時(shí)，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(zhuǎn)到代碼場(chǎng)該地址中，由于是FORTH高級(jí)字定義，所以首先執(zhí)行“：”機(jī)器碼將程序計(jì)數(shù)器所記錄的下一條指令返回地址壓入棧，然后跳轉(zhuǎn)到參數(shù)場(chǎng)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(chǎng)和參數(shù)場(chǎng)分別存儲(chǔ)指令和參數(shù)。以下以JLP FORTH虛擬機(jī)為例，詳細(xì)描述其字典表、代碼場(chǎng)、參數(shù)場(chǎng)的定義、虛擬機(jī)存儲(chǔ)和指針的分配，以及核心算法。

3.指令的定義和存儲(chǔ)

FORTH虛擬計(jì)算機(jī)采用該虛擬指令的存儲(chǔ)地址來(lái)表示該指令，稱為“地址碼”。虛擬計(jì)算機(jī)的每個(gè)指令用名稱（例如+、-、*）來(lái)表示，稱為“字（Word）”。FORTH虛擬計(jì)算機(jī)的指令包括“復(fù)合字”和“基本字”?；咀忠卜Q為“低級(jí)字”，由真實(shí)計(jì)算機(jī)機(jī)器碼和數(shù)據(jù)組成的，低級(jí)字組合可構(gòu)成“復(fù)合字”，所以，“復(fù)合字”也稱為“高級(jí)字”。

高級(jí)字和低級(jí)字都可通過(guò)定義擴(kuò)展。擴(kuò)展高級(jí)字用“：”冒號(hào)定義，通過(guò)高級(jí)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(kuò)展低級(jí)字則用機(jī)器碼定義，格式如下：

CODE 名字 … … NEXT， END-CODE

其中NEXT，指令可以讓計(jì)算機(jī)執(zhí)行下一條虛擬機(jī)指令。

對(duì)于真實(shí)計(jì)算機(jī)，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(jì)算機(jī)不同，由于需要虛擬機(jī)執(zhí)行和構(gòu)造新的虛擬機(jī)指令，因此在虛擬計(jì)算機(jī)中要保留FORTH字的名稱，用于存儲(chǔ)FORTH字的存儲(chǔ)空間就是“字典表”。在JLP FORTH虛擬平臺(tái)中，字典表結(jié)構(gòu)如表1，在圖1中也有標(biāo)注。

WPF里存儲(chǔ)的指令碼即FORTH字在存儲(chǔ)空間的地址。由于允許FORTH字的名稱長(zhǎng)度不一樣，因此采用鏈表結(jié)構(gòu)可有效地存儲(chǔ)它們，在LPF中即存放了下一個(gè)字的定義地址。

代碼場(chǎng)和參數(shù)場(chǎng)用于共同存儲(chǔ)FORTH字，如表2。

其中CFA存放實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)功能的CPU機(jī)器碼開始地址。PFA依次存放組成它的虛擬機(jī)指令。對(duì)于基本字PFA的內(nèi)容不一樣。對(duì)于一個(gè)常數(shù)基本字，PFA就直接存放這個(gè)常數(shù)。對(duì)于一個(gè)變量基本字，PFA就存放數(shù)據(jù)段中這個(gè)變量的地址[6]。

4.內(nèi)存和指針分配

以往FORTH并未將代碼和數(shù)據(jù)分開，在嵌入式應(yīng)用中，往往指令和程序相對(duì)固定，而代碼和數(shù)據(jù)混合致使調(diào)試不方便，同時(shí)在系統(tǒng)安全上也帶來(lái)問(wèn)題。在JLP FORTH虛擬機(jī)上，將內(nèi)存分為代碼段CS、代碼空間VS、數(shù)據(jù)段DS、系統(tǒng)段SS四個(gè)部分。

（1）代碼段CS：存放真實(shí)計(jì)算機(jī)的機(jī)器指令、內(nèi)存分配信息以及與硬件有關(guān)的系統(tǒng)數(shù)據(jù)。

（2）“代碼”空間VS：用來(lái)存放虛擬計(jì)算機(jī)的指令和字典。

（3）數(shù)據(jù)段DS：用來(lái)存放用戶數(shù)據(jù)和虛擬機(jī)的堆棧等數(shù)據(jù)。

（4）系統(tǒng)段SS：用來(lái)存放系統(tǒng)堆棧和多任務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)表等，達(dá)到分離系統(tǒng)任務(wù)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(shí)現(xiàn)程序和數(shù)據(jù)的分離。這種新的虛擬機(jī)架構(gòu)不僅可以適合嵌入式系統(tǒng)，也適合PC結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，而且更有利于內(nèi)存保護(hù)的實(shí)現(xiàn)。

真實(shí)計(jì)算機(jī)主要依靠寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)加減乘除等運(yùn)算。例如將AX和BX寄存器的內(nèi)容相加結(jié)果放到AX中，因此寄存器的數(shù)量是衡量CPU運(yùn)算能力的一個(gè)指標(biāo)。FORTH虛擬計(jì)算機(jī)則采用直接面向運(yùn)算過(guò)程的方法，采用堆棧的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的運(yùn)算，例如取出堆棧頂上的兩個(gè)數(shù)相加后，結(jié)果放回堆棧頂。對(duì)于復(fù)雜運(yùn)算，直接用復(fù)合字或者機(jī)器碼寫出面向數(shù)據(jù)的算法，比如對(duì)矢量和矩陣的運(yùn)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行的各種指針。為了提高虛擬計(jì)算機(jī)的執(zhí)行效率，用間接尋址的CPU寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)應(yīng)關(guān)系如下（注：箭頭為在X86計(jì)算機(jī)中對(duì)應(yīng)的寄存器）。

通過(guò)這些指針的定義，F(xiàn)ORTH虛擬機(jī)可實(shí)現(xiàn)各種各樣復(fù)雜的算法。

5.NEXT核心算法與函數(shù)

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

由于FORTH虛擬機(jī)是工作在真實(shí)計(jì)算機(jī)上，因此要實(shí)現(xiàn)FORTH虛擬機(jī)必須用真實(shí)計(jì)算機(jī)的代碼來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)核心過(guò)程，以X86匯編語(yǔ)言為例，其實(shí)現(xiàn)FORTH虛擬機(jī)核心過(guò)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(gè)子過(guò)程或函數(shù)的調(diào)用。在真實(shí)計(jì)算機(jī)中，函數(shù)是非常常用的一個(gè)功能，是若干指令的有序集合。在FORTH虛擬計(jì)算機(jī)中高級(jí)字就可認(rèn)為是“函數(shù)”。表3是真實(shí)計(jì)算機(jī)和FORTH虛擬計(jì)算機(jī)在函數(shù)調(diào)用中的執(zhí)行過(guò)程對(duì)比。

6.實(shí)例

以下采用自下而上的編程方法，構(gòu)造FORTH字P_DUMP用于查看內(nèi)存基本信息，以此為例說(shuō)明FORTH虛擬計(jì)算機(jī)相關(guān)程序的設(shè)計(jì)方法。參數(shù)有查看內(nèi)存的段地址、偏移地址和區(qū)域長(zhǎng)度。

//----初始化-------------------

HEX ROOT_ONLY // 使用根字典

//----內(nèi)存顯示-------------------

：.BYTE //（n--） 顯示一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)

00FF AND // 數(shù)據(jù)都是16位寬，只用低8位

20 EMIT // 先顯示一個(gè)空格

10 /MOD // 用16除 結(jié)果為 （ -- 余數(shù) 商）

H.H.； // 依次顯示高四位和低四位

： .INT // （ n -- ） 顯示一個(gè)16位整數(shù)數(shù)據(jù)

10 U/MOD 10 U/MOD 10 U/MOD 10 U/MOD DROP // 得到四個(gè)四位16進(jìn)制

H.H.H.H.； // 依次顯示

： .CHAR // （ n -- ） 顯示一個(gè)字符

00FF AND // 字節(jié) ASC II 的字符

DUP 20 < OVER 7F > OR if DROP 2E endif // 只顯示ASC II 的字符碼 如果是字符，顯示為“.”，避免破壞顯示列表

EMIT ；

： .16BYTES // （ segment offset --- ） 顯示一整行16個(gè)字節(jié)

CRLF LDUP SWAP .INT 3A EMIT .INT 1 SPACES // 顯示開始地址

LDUP 0F 0 1 for P_COUNT .BYTE endfor LDROP // 顯示16進(jìn)制數(shù)值內(nèi)容

4 SPACES 0F 0 1 for P_COUNT .CHAR endfor LDROP // 顯示16個(gè)字符

；

： P_DUMP // （ segment offset length --- ）

DEPTH 3 < 2 ？ERROR // 檢查參數(shù)的數(shù)量是否足夠

DUP 0 == if CRLF ，” 長(zhǎng)度為零！\" .S ABORT endif // 長(zhǎng)度為零

DUP F000 AND 0 ！= if CRLF ，” Too long！” .S ABORT endif // 長(zhǎng)度太長(zhǎng)

>S DUP FFF0 AND 10 + SWAP DUP 000F AND// （ 段 整數(shù)偏移 原始偏移 起始空格數(shù) -- ）

S> OVER 10 SWAP - - >S

3 PICK -ROT // （ 段 整數(shù)偏移 段 原始偏移 起始空格數(shù) -- ）

CRLF ，” seg.off.” .S 0F 0 1 for I .BYTE endfor // 顯示欄名

4 SPACES 0F 0 1 for I H. endfor

CRLF 2 PICK .INT 3A EMIT 1 PICK FFF0 AND .INT 1 SPACES // 顯示開始地址

2 PICK 2 PICK 2 PICK DUP 3 * SPACES // 跳過(guò)開始的空數(shù)據(jù)

10 SWAP - 1 1 for P_COUNT .BYTE endfor LDROP //顯示頭一行其余數(shù)據(jù)

4 SPACES DUP SPACES

10 SWAP - 1 1 for P_COUNT .CHAR endfor LDROP// 頭一行其余字符

S> 10 U/MOD SWAP >S // （ seg offset lines -- ） 中間的部分

DUP 0 >

if 1 1 for LDUP .16BYTES 10 + endfor // 顯示中間行

else DROP

endif

S> DUP 0 > if // 是否有最后一行

CRLF 2 PICK .INT 3A EMIT 1 PICK .INT 1 SPACES// 有最后一行

2 PICK 2 PICK 2 PICK // 復(fù)制參數(shù)

1 1 for P_COUNT .BYTE endfor LDROP // 最后一行數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)

10 OVER - 3 * SPACES 4 SPACES

1 1 for P_COUNT .CHAR endfor LDROP // 最后一行字符

else

DROP LDROP // 無(wú)最后一行

endif

CRLF ；

7.結(jié)論

對(duì)于嵌入式應(yīng)用來(lái)說(shuō)，一個(gè)可擴(kuò)展性好、可移植性好、可裁剪、實(shí)現(xiàn)快速，并且便于調(diào)試的嵌入式虛擬機(jī)，能給嵌入式應(yīng)用的開發(fā)帶來(lái)極大的方便。基于FORTH構(gòu)筑的虛擬機(jī)，引入字典表完成指令和機(jī)器代碼的對(duì)應(yīng)，并用字定義來(lái)完成指令的擴(kuò)展，使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)具有了極大的靈活性和擴(kuò)展性，僅僅通過(guò)對(duì)基本字的堆疊、組合就可完成高級(jí)字的層層定義，實(shí)現(xiàn)極其復(fù)雜的系統(tǒng)。在JLP FORTH中存儲(chǔ)分段使得程序指令和數(shù)據(jù)能相對(duì)獨(dú)立，有效地增強(qiáng)了系統(tǒng)的安全性。這些設(shè)計(jì)思路使得在其上構(gòu)建的FORTH虛擬機(jī)具有了代碼簡(jiǎn)單、調(diào)試方便、安全性高、擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)，特別適合應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)中。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：

王麗清（1971—），女，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向：信息處理、數(shù)字媒體技術(shù)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用。

楊為民（1955—），男，教授，主要研究方向：遙感和地理信息系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)。

代紅兵（1963—），男，碩士，正高級(jí)工程師，主要從事嵌入式系統(tǒng)、數(shù)字電視技術(shù)工作。

周永錄（1965—），男，高級(jí)工程師，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)。