code from https://www.andreinc.net/2021/12/01/writing-a-simple-vm-in-less-than-125-lines-of-c
下面是阅读实现vm时的一些笔记
从zig语言的视角来看，指令就是u16整数。目前实现的VM中只有16个指令。
前四个bits是OpCode指令，剩下的12个bits是参数。
可以使用下面函数来提取指令。
// 右偏移12位，拿到指令码
inline fn OPC(i: u16) u16 {
return i >> 12;
}
因为OpCode使用4bits表示，最大指令数量就是16(2^4=15)。
我们在zig中使用一个函数指针数组对应到OpCode操作。
// 指令操作函数类型
const op_ex_f = fn (i: u16) void;
// 指令操作add函数
fn br(i: u16) void {
if ((reg[@enumToInt(regist.RCND)] & FCND(i)) > 0) {
reg[@enumToInt(regist.RPC)] = 1;
}
}
// .... other 操作函数
const op_ex = [NOPS]op_ex_f{
br, add, ld, st, jsr, and, ldr, str, rti, not, ldi, sti, jmp, res, lea, trap
};
现在所有的指令可以通过下面的方式执行
op_ex[OP(instr)](instr);
下面是LC3实现的指令码：
| Instruction | OpCode Hex | OpCode Bin | C function | Comments |
|---|---|---|---|---|
| br | 0x0 | 0b0000 | void br(uint16_t i) | Conditional branch |
| add | 0x1 | 0b0001 | void and(uint16_t i) | Used for addition. |
| ld | 0x2 | 0b0010 | void ld(uint16_t i) | Load RPC offset |
| st | 0x3 | 0b0011 | void st(uint16_t i) | Store |
| jsr | 0x4 | 0b0100 | void jsr(uint16_t i) | Jump to subroutine |
| and | 0x5 | 0b0101 | void and(uint16_t i) | Bitwise logical AND |
| ldr | 0x6 | 0b0110 | void ldr(uint16_t i) | Load Base Offset |
| str | 0x7 | 0b0111 | void str(uint16_t i) | Store base offset |
| rti | 0x8 | 0b1000 | void rti(uint16_t i) | Return from interrupt (not implemented) |
| not | 0x9 | 0b1001 | void not(uint16_t i) | Bitwise complement |
| ldi | 0xA | 0b1010 | void ldi(uint16_t i) | Load indirect |
| sti | 0xB | 0b1011 | void sti(uint16_t i) | Store indirect |
| jmp | 0xC | 0b1100 | void jmp(uint16_t i) | Jump/Return to subroutine |
| 0xD | 0b1101 | Unused OpCode | ||
| lea | 0xE | 0b1110 | void lea(uint16_t i) | Load effective address |
| trap | 0xF | 0b1111 | void trap(uint16_t i) | System trap/call |
我们可以将指令分成四种类型：
br，jmp，jsr属于控制流类型，跳转到特定的指令语句(类似go to语句)或者条件跳转ld,ldr,ldi,lea用于从主内存中加载数据到寄存器st,str,sti用于从寄存器中加载数据到主内存add,and,not用于处理数据操作，操作完之后数据仍在寄存器中。
关于一些副作用的寄存器:
RCND 条件寄存器标志位，用于追踪一些指令的额外信息。在我们的实现中它可以有三个值：
1<<0(P正数) 如果最后一个操作产生整数结果1<<1(Z0) 如果最后一个操作产生01<<2(N负数) 如果最后一个操作产生负数
通过判断该寄存器的值，我们可以实现代码跳转，达到高阶语言的IF语句。
代码实现：
/// RCND寄存器标志位
const flags = enum(u8) { FP = 1 << 0, FZ = 1 << 1, FN = 1 << 2 };
/// RCND赋值操作
fn uf(r: regist) void {
if (reg[@enumToInt(r)] == 0) {
reg[@enumToInt(regist.RCND)] = @enumToInt(flags.FZ); // the value in r is zero
} else if ((reg[@enumToInt(r)] >> 15) > 0) {
reg[@enumToInt(regist.RCND)] = @enumToInt(flags.FN); // the value in r is z negative number
} else {
reg[@enumToInt(regist.RCND)] = @enumToInt(flags.FP); // the value in r is a positive number
}
}
通过图片我们可以看出有两个版本的add，通过第五个bit位标识不同。
add1 将SR1和SR2的值加起来，然后存至DR1寄存器
add2 将 IMM5和SR1加起来，存至DR1寄存器。
IMM5寄存器是一个5位的正负数。最重要的bit是符号位。在实现代码的时候我们需要考虑到这点。我们需要写一个函数一个函数扩展符号让它和16bits形式兼容。下面的函数实际上是转换成16bit有符号格式。
inline fn IMM(i: u16) u16 {
return i & 0x1F;
}
inline fn SEXTIMM(i: u16) u16 {
return sext(IMM(i), 5);
}
fn sext(n: u16, b: comptime_int) u16 {
return
if ((n >> (b - 1) & 1) > 0)
0 | 0xFFFF << b)
else n;
}下面的方法是一个提取add第5个bit位的值
inline fn FIMM(i: u16) u16 {
return i >> 5 & 1;
}我们来分析下提取过程
- 首先是将i右移5bits
- 将最后一bit和1做
&操作
该指令从主内存加载数据到目的寄存器，获取到内存位置的数据后作为偏移值加到RPC寄存器中.ld并不会修改RPC的值，仅仅是引用它。
