COMET虛擬機的設計與實現

2.8 調試器

COMET調試器是一個內嵌在虛擬機里的機器級的調試器。當需要調試一個COMET虛擬機的程序時，只需要在啟動COMET虛擬機的時給出相應的命令參數就啟動調試功能了[2，4]。

COMET調試器的基本功能有：顯示幫助（help），運行程序直到停止（go），分步執行（step n），跳轉程序（jump），顯示寄存器內容（regs），顯示內存數據（dMem），顯示內存指令（iMem），修改內存數據（alter），遍歷指令（trace），指令記數功能（print），重新裝載字節碼（clear），退出調試器（quit）。每個調試命令的具體用法可以參考COMET虛擬機的幫助文件。

3 COMET虛擬機實現 3.1 虛擬機數據結構

struct comet

{

off_t pc;

short fr;

short gr[5];

short mem[MEMSIZE];

} cmt;

虛擬機結構變量cmt是一個全局變量，成員分別為：指令計數器（pc）、標志寄存器（fr）、通用寄存器（gr）、存儲器（mem）。將cmt設計為全局變量的優點是個函數不用傳遞復雜的結構體參數，缺點是每個進程同時只能有一個虛擬機實例。

3.2 主函數

int

main(int argc, char *argv[])

{

init(argc, argv);

if(debug) comet_debug();

else while(comet_step());

fclose(source);

return 0;

}

函數init首先初始化COMET虛擬機并裝載字節碼，如果發生錯誤則停止。然后根據調試器狀態，選擇運行虛擬機的方式。如果調試開關（debug）被設置，則調用comet_debug函數在調試狀態下運行COMET虛擬機。如果沒有打開調試開關，則循環調用單步執行函數comet_step，直到程序結束[1，2]。

3.3 字節碼載入

void

comet_load(void)

{

unsigned short n, flag[2];

fseek(source, 0, SEEK_SET);

n = fread(flag,

sizeof(off_t), 2, source);

n = fread(cmt.mem[flag[0]],

sizeof(off_t),tmp[1],source);

/* 其他處理代碼 */

}

變量n用于記錄讀取字節碼的數目，如果n小于相應的值，則發生字節碼裝載錯誤。變量flag用于保存字節碼裝載信息，分別字節碼裝載地址和字節碼大小。

COMET字節碼設計比較簡單，也存在很多不足。例如，沒有標志文件格式的魔數，沒有更完善的錯誤檢測措施。我們的目的是讓讀者了解字節碼的工作原理，因此只給出了一種最簡單的實現[1，2，4]。

3.4 指令解析

指令的解析一般包含這個幾個過程：取指令，解碼，執行。其中解碼對虛擬機的執行效率有很大的影響[5]。這里采用下標索引技術來解碼指令。具體代碼如下：

void comet_ld(void); /* LD指令*/

void comet_ld(void); /*ST指令 */

void comet_ld(void); /* LEA指令 */

/* 其他指令函數聲明 */

int comet_step(void)

{

static void (*comet_op)() = {

comet_ld, comet_st, comet_lea,

/* 其他指令執行函數指針 */

};

/* 解析指令，存放在op中 */

short op = get_op();

/* 執行op對應的代碼 */

(*comet_op [op])();

/* 返回執行狀態 */

return val;

}

例如，有指令LEA，其對應的機器碼為031，那么將通過函數指針數組comet_op直接定位到（*comet_op[031]）函數，即并執行相應的comet_lea函數。

3.5 輸入輸出設備

COMET虛擬機在解析每個指令前，先讀取IO設備狀態寄存器IO_FLAG中的值，如果IO_FLAG被設置，則執行相應的IO操作[3]。具體代碼如下：

void

comet_io(void)

{

switch(cmt.mem[IO_FLAG]IO_TYPE)

{

case IO_NULL:

/* 無IO操作 */

case IO_OCT IO_IN:

/* 八進制輸入 */

case IO_DEC IO_IN:

/* 十進制輸入 */

case IO_HEX IO_IN:

/* 十六進制輸入 */

case IO_OCT IO_OUT:

/* 八進制輸出 */

case IO_DEC IO_OUT:

/* 十進制輸出 */

case IO_HEX IO_OUT:

/* 十六進制輸出 */

default:

/* 未知IO類型 */

}

/* 重置IO狀態寄存器IO_FLAG */

}

3.6 調試器

調試程序是建立和單步執行的COMET虛擬機之上的。當沒有打開調試功能時，循環執行COMET虛擬機字節碼程序，直到停止。當打開了調試功能時，調試函數debug根據調試命令，執行相應步的指令、顯示或操作相關的數據。

/* 各種調試命令 */

typedef enum

{

GO, STEP, JUMP, REGS,

IMEM, DMEM, ALTER,

TRACE, PRINT, CLEAR,

HELP, QUIT

} DbType;

/* 調試函數 */

void

comet_debug(void)

{

int cmd; /* 保存調試命令 */

while(1) {

/* 讀調試命令 */

switch(cmd) {

case HELP: /* 幫助文件 */

case GO : /* 執行程序 */

case STEP: /* 分步執行 */

/* 其他調試命令 */

default : /* 未知命令 */

}

}

}

調試函數comet_debug根據不同的調試命令執行相應的操作，并顯示虛擬機狀當前的狀態信息。

4 運行虛擬機

下面通過一個求（1 + 2 + … + n）的程序，來介紹其在COMET虛擬機上的執行的流程。程序的字節碼由相關的工具生成，保存為sum.comet文件（后綴為comet）。

4.1 普通運行

輸入命令：comet sum

在COMET虛擬機獲得sum參數后，會自動識別為sum.comet字節碼文件。

輸入100，表示求1+2+…+100的和。

COMET虛擬機輸出：

===============

COMET虛擬計算機