【摘要】在嵌入式領域，如何降低系統(tǒng)與運行環(huán)境之間的相關性，在各種異構的嵌入式平臺上快速構建系統(tǒng)一直是研究的重點。本文基于FORTH語言，通過對虛擬機工作原理的分析，以自主構建的JLP FORTH虛擬平臺為例，描述了虛擬機的實現(xiàn)原理、指令定義、存儲方法和核心算法，并且在存儲上提出以分段的方式分離代碼和數(shù)據(jù)，通過該方法構建的FORTH虛擬機具有了更高的系統(tǒng)安全性，并且調試方便、擴展性強，特別適合應用于嵌入式系統(tǒng)。

【關鍵詞】FORTH；虛擬計算機

1.引言

虛擬機最初是美國計算機科學家波佩克（Popek）與戈德堡（Gerald）在虛擬化需求中給出了定義，專指有效的、孤立的真實計算機的副本[1]，現(xiàn)在則指可像真實計算機一樣運行程序的軟件實現(xiàn)，包括跟任何真實計算機無關的虛擬機[2]。根據(jù)運用和與機器的相關性可分為系統(tǒng)虛擬機和程序虛擬機，一個提供了完整的操作系統(tǒng)，另一個則以運行單個計算機程序為主。在嵌入式應用領域，嵌入式系統(tǒng)相關的CPU芯片和微計算機硬件系統(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]。但是在新平臺上，難以針對每一種芯片或平臺制定一種計算機語言來編程。解決的方法一是可采用公共計算機語言，用不同的編譯器來生成機器碼，但該方法需要具有該語言的編譯器，在新平臺上往往難以具備。另一種方法即建立一個虛擬機，然后用一個計算機語言，用一個解釋器來解釋執(zhí)行[4]。采用該方法，難點在于嵌入式虛擬機的構建，要能夠適應多種環(huán)境、快速構建、可擴展。FORTH是一種與眾不同的計算機程序設計語言。它具有極強的擴展性，通過字的定義，可實現(xiàn)不斷堆疊和擴展。同時，它又具有極好的交互性，指令可解釋執(zhí)行，這就為應用的調試帶來了極大的便捷。本文基于FORTH語言，以自主構建的JLP FORTH虛擬平臺為例，詳細闡述FORTH虛擬機的實現(xiàn)原理和核心實現(xiàn)方法，模擬和實現(xiàn)了通用的交互式計算機結構，實現(xiàn)了真實計算機的典型工作流程[4]，并且一改過去FORTH代碼和數(shù)據(jù)混合存儲的方式，在內存的存儲上以分段的方式將內存分為CS、VS、DS、SS四個段，分別存儲指令和數(shù)據(jù)，這樣，就實現(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，并且調試方便、擴展性強，尤其適合應用于對安全性、兼容性、移植性、擴展性、交互性要求高的嵌入式系統(tǒng)領域。

2.FORTH虛擬機實現(xiàn)原理

真實計算機的基本工作原理是存儲和控制。計算機在控制器的指揮下，取出預先存儲的指令序列（即程序）和數(shù)據(jù)，通過控制器譯碼，按指令的要求，取出數(shù)據(jù)完成運算，再把結果重新存儲起來，如此循環(huán)，直至完成全部指令。對真實計算機來說，這個過程依托中央處理器CPU來實現(xiàn)，CPU包括運算器、控制器和寄存器。如果描述CPU核心工作過程，主要包括以下步驟：（1）提取程序計數(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）程序計數(shù)器增加指令長度，即指向下一條指令地址；（4）解碼執(zhí)行指令；（5）返回結果。

由于FORTH虛擬機是工作在真實計算機上的，因此要實現(xiàn)FORTH虛擬機必須用對應關系依托真實計算機的代碼來實現(xiàn)這個核心過程。在FORTH虛擬機中，用核心算法——NEXT模擬了這個過程，將虛擬機指令和真實計算機指令實現(xiàn)對應，通過建立字典表，設置地址跳轉，以串線碼的方式將虛擬機命令字和直接機器指令實現(xiàn)對應，依托真實計算機指令完成了CPU的處理過程[6]。如圖1所示。

在字典表存放了各個FORTH高級字的名稱和代碼執(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所描述的直接機器執(zhí)行代碼相對應，構成間接串線編碼。當執(zhí)行該指令時，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，然后跳轉到代碼場該地址中，由于是FORTH高級字定義，所以首先執(zhí)行“：”機器碼將程序計數(shù)器所記錄的下一條指令返回地址壓入棧，然后跳轉到參數(shù)場地址依序執(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，代碼場和參數(shù)場分別存儲指令和參數(shù)。以下以JLP FORTH虛擬機為例，詳細描述其字典表、代碼場、參數(shù)場的定義、虛擬機存儲和指針的分配，以及核心算法。

3.指令的定義和存儲

FORTH虛擬計算機采用該虛擬指令的存儲地址來表示該指令，稱為“地址碼”。虛擬計算機的每個指令用名稱（例如+、-、*）來表示，稱為“字（Word）”。FORTH虛擬計算機的指令包括“復合字”和“基本字”?；咀忠卜Q為“低級字”，由真實計算機機器碼和數(shù)據(jù)組成的，低級字組合可構成“復合字”，所以，“復合字”也稱為“高級字”。

高級字和低級字都可通過定義擴展。擴展高級字用“：”冒號定義，通過高級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。擴展低級字則用機器碼定義，格式如下：

CODE 名字 … … NEXT， END-CODE

其中NEXT，指令可以讓計算機執(zhí)行下一條虛擬機指令。

對于真實計算機，用編譯器生成的指令碼序列中不需要保留指令名稱。FORTH虛擬計算機不同，由于需要虛擬機執(zhí)行和構造新的虛擬機指令，因此在虛擬計算機中要保留FORTH字的名稱，用于存儲FORTH字的存儲空間就是“字典表”。在JLP FORTH虛擬平臺中，字典表結構如表1，在圖1中也有標注。

WPF里存儲的指令碼即FORTH字在存儲空間的地址。由于允許FORTH字的名稱長度不一樣，因此采用鏈表結構可有效地存儲它們，在LPF中即存放了下一個字的定義地址。

代碼場和參數(shù)場用于共同存儲FORTH字，如表2。

其中CFA存放實現(xiàn)虛擬機功能的CPU機器碼開始地址。PFA依次存放組成它的虛擬機指令。對于基本字PFA的內容不一樣。對于一個常數(shù)基本字，PFA就直接存放這個常數(shù)。對于一個變量基本字，PFA就存放數(shù)據(jù)段中這個變量的地址[6]。

4.內存和指針分配

以往FORTH并未將代碼和數(shù)據(jù)分開，在嵌入式應用中，往往指令和程序相對固定，而代碼和數(shù)據(jù)混合致使調試不方便，同時在系統(tǒng)安全上也帶來問題。在JLP FORTH虛擬機上，將內存分為代碼段CS、代碼空間VS、數(shù)據(jù)段DS、系統(tǒng)段SS四個部分。

（1）代碼段CS：存放真實計算機的機器指令、內存分配信息以及與硬件有關的系統(tǒng)數(shù)據(jù)。

（2）“代碼”空間VS：用來存放虛擬計算機的指令和字典。

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

（4）系統(tǒng)段SS：用來存放系統(tǒng)堆棧和多任務系統(tǒng)數(shù)據(jù)表等，達到分離系統(tǒng)任務和用戶，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，如此實現(xiàn)程序和數(shù)據(jù)的分離。這種新的虛擬機架構不僅可以適合嵌入式系統(tǒng)，也適合PC結構系統(tǒng)，而且更有利于內存保護的實現(xiàn)。

真實計算機主要依靠寄存器來實現(xiàn)加減乘除等運算。例如將AX和BX寄存器的內容相加結果放到AX中，因此寄存器的數(shù)量是衡量CPU運算能力的一個指標。FORTH虛擬計算機則采用直接面向運算過程的方法，采用堆棧的方式來實現(xiàn)簡單的運算，例如取出堆棧頂上的兩個數(shù)相加后，結果放回堆棧頂。對于復雜運算，直接用復合字或者機器碼寫出面向數(shù)據(jù)的算法，比如對矢量和矩陣的運算等。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)變量以及實現(xiàn)系統(tǒng)運行的各種指針。為了提高虛擬計算機的執(zhí)行效率，用間接尋址的CPU寄存器來實現(xiàn)。對應關系如下（注：箭頭為在X86計算機中對應的寄存器）。

通過這些指針的定義，F(xiàn)ORTH虛擬機可實現(xiàn)各種各樣復雜的算法。

5.NEXT核心算法與函數(shù)

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

由于FORTH虛擬機是工作在真實計算機上，因此要實現(xiàn)FORTH虛擬機必須用真實計算機的代碼來實現(xiàn)這個核心過程，以X86匯編語言為例，其實現(xiàn)FORTH虛擬機核心過程的代碼為（16位地址空間）：

ES：BX，SI MOV

SI，#2 ADD

ES：[BX]JMP

從代碼可以看出，它非常象一個子過程或函數(shù)的調用。在真實計算機中，函數(shù)是非常常用的一個功能，是若干指令的有序集合。在FORTH虛擬計算機中高級字就可認為是“函數(shù)”。表3是真實計算機和FORTH虛擬計算機在函數(shù)調用中的執(zhí)行過程對比。

6.實例

以下采用自下而上的編程方法，構造FORTH字P_DUMP用于查看內存基本信息，以此為例說明FORTH虛擬計算機相關程序的設計方法。參數(shù)有查看內存的段地址、偏移地址和區(qū)域長度。

//----初始化-------------------

HEX ROOT_ONLY // 使用根字典

//----內存顯示-------------------

：.BYTE //（n--） 顯示一個字節(jié)數(shù)據(jù)

00FF AND // 數(shù)據(jù)都是16位寬，只用低8位

20 EMIT // 先顯示一個空格

10 /MOD // 用16除 結果為 （ -- 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 // 得到四個四位16進制

H.H.H.H.； // 依次顯示

： .CHAR // （ n -- ） 顯示一個字符

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進制數(shù)值內容

4 SPACES 0F 0 1 for P_COUNT .CHAR endfor LDROP // 顯示16個字符

；

： 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 ，” 長度為零！\" .S ABORT endif // 長度為零

DUP F000 AND 0 ！= if CRLF ，” Too long！” .S ABORT endif // 長度太長

>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 // 無最后一行

endif

CRLF ；

7.結論

對于嵌入式應用來說，一個可擴展性好、可移植性好、可裁剪、實現(xiàn)快速，并且便于調試的嵌入式虛擬機，能給嵌入式應用的開發(fā)帶來極大的方便?；贔ORTH構筑的虛擬機，引入字典表完成指令和機器代碼的對應，并用字定義來完成指令的擴展，使系統(tǒng)的結構具有了極大的靈活性和擴展性，僅僅通過對基本字的堆疊、組合就可完成高級字的層層定義，實現(xiàn)極其復雜的系統(tǒng)。在JLP FORTH中存儲分段使得程序指令和數(shù)據(jù)能相對獨立，有效地增強了系統(tǒng)的安全性。這些設計思路使得在其上構建的FORTH虛擬機具有了代碼簡單、調試方便、安全性高、擴展性強等特點，特別適合應用于嵌入式系統(tǒng)中。

參考文獻

[1]維基.虛擬機[EB/OL].2013-3-28.http：//zh.wikipedia.org/wiki/%E8%99%9B%E6% 93%AC%E6%A9%9F%E5%99%A8.

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[3]姚琳.多核的必由之路[M].電子設計技術，2007，9，24-26.

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[5]Jean J.Labrosse.嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-II（第2版）[M].北京航空航天大學出版社，2003.

[6]BradfordJ.Rodriguez，writing Forth kernels，2000.

作者簡介：

王麗清（1971—），女，碩士，高級工程師，主要研究方向：信息處理、數(shù)字媒體技術、計算機應用。

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，正高級工程師，主要從事嵌入式系統(tǒng)、數(shù)字電視技術工作。

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