嵌入式FORTH虛擬計算機的實現

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”。基本字也稱為“低級字”，由真實計算機機器碼和數據組成的，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 … ;其中執行leave指令可以跳出該FORTH字的執行，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。

代碼場和參數場用于共同存儲FORTH字，如表2。

其中CFA存放實現虛擬機功能的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。對于一個常數基本字，PFA就直接存放這個常數。對于一個變量基本字，PFA就存放數據段中這個變量的地址[6]。

4.內存和指針分配

以往FORTH并未將代碼和數據分開，在嵌入式應用中，往往指令和程序相對固定，而代碼和數據混合致使調試不方便，同時在系統安全上也帶來問題。在JLP FORTH虛擬機上，將內存分為代碼段CS、代碼空間VS、數據段DS、系統段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數據。

(2)“代碼”空間VS：用來存放虛擬計算機的指令和字典。

(3)數據段DS：用來存放用戶數據和虛擬機的堆棧等數據。

(4)系統段SS：用來存放系統堆棧和多任務系統數據表等，達到分離系統任務和用戶，保證系統安全的目的。

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，如此實現程序和數據的分離。這種新的虛擬機架構不僅可以適合嵌入式系統，也適合PC結構系統，而且更有利于內存保護的實現。

真實計算機主要依靠寄存器來實現加減乘除等運算。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簡單的運算，例如取出堆棧頂上的兩個數相加后，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據的算法，比如對矢量和矩陣的運算等。由于沒有寄存器的概念，只有表示系統工作狀態的各種系統變量以及實現系統運行的各種指針。為了提高虛擬計算機的執行效率，用間接尋址的CPU寄存器來實現。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，FORTH虛擬機可實現各種各樣復雜的算法。