weed虚拟机 1.前言

本次我们用C语言做一个最为简单的玩具虚拟机，进而探索计算机的一些重要概念。

第一步实现一个解释器，以后也许加上一个编译器，类似于javac一样的生成.class文件的编译器。

我们知道c/c++生成本地平台能直接执行的二进制可执行文件，而Java dotnet这些语言生成一个中间代码，这就是所谓的字节码文件，包含了相关语言的虚拟指令集。

换句话说， c/c++程序编译生成后使用的是真正在硬件上运行的CPU指令集，比如X86; AMD64; ARM等等。

而java dotnet生成一个虚拟指令集，必须有相关的虚拟机程序来解释执行这些虚拟指令集。

在学习编程语言的时候总是这样介绍，我们的编程语言分为三种大类型，高级语言；汇编语言和机器码。

那么我们的工作就是用c这个高级语言编写一个不存在的虚拟汇编语言解释器。

我们给他命名为weed，毫不起眼的杂草……

weed语言的源文件的后缀名是.we，可以用我们的weed解释器解释执行，这个语言包含了最少的指令和数据类型。

有人不是说过，程序有指令和数据组成，那么我们简单看看weed语言的指令集和数据类型。

数学运算加减乘除和取余数这五种
比较运算相等不相等小于小于等于大于和大于等于这六种
逻辑运算并且或者和非这三种
控制运算输入输出存取完成和跳转这四种

初步总共也就不到20个指令构成了我们的weed语言的全部指令集，后续根据需要也许会增加新的指令！

weed语言目前支持三种数据类型
number 包含了32bit有符号整数
boolean 表示布尔true和false
string 表示文本

初步也就这么简陋，反正是玩具，所以秉承够用原则……

接下来看看weed语言的一些程序首先是helloWorld程序：

out "hello, world"

数学答题程序：

sto result 0
sto isRight false
out "20 + 30 = ?"
in result
eq isRight result 50
goto isRight 3
out "Not Pass"
done
out "pass"

最后看看1到100累加程序：

sto n 1
sto sum 0
sto isDone false
add sum n
add n 1
el isDone n 100
goto isDone -3
out sum

原则是编写weed解释器尽可能简单，所以这里的语法特别让人崩溃。

1.weed语言有指令和注释组成，
2.指令或者注释前不能出现空白字符，在空行不可出现空白字符。
3.一个指令占用一行，不能在一行编写多个指令。
4.寄存器命名必须用字母开头，可以包含字母数字和下划线，必须少于31个字符

weed规定存取指令sto必须在程序的开头部分，其他指令的前面，书写格式为：

sto 寄存器名称 初始值

sto通过寄存器的初始值推断其数据类型。

所以sto指令要求必须初始化寄存器，寄存器的数据类型不可修改。

sto相当于高级语言的定义变量 var var1 = 0之类的，要求必须初始化变量，不可var var1这样。

done指令没有参数，功能是结束当前程序。

输入指令严重依赖参数的数据类型，而且不支持输入布尔类型的值，如果数据类型不匹配程序崩溃，比如:

sto num 0
in num # 输入有符号整数接受， 输入其他任何字符崩溃
sto ok true
in ok # 崩溃， 所以in指令不支持布尔类型

  输出指令不支持输出多个值， 不支持格式化输出

数学运算指令有两个参数，工作方式和高级语言的(+=)(-=)等等一样，把运算结果写道第一个参数。

所以要求第一个参数必须是数字类型的寄存器。

比较运算指令有三个参数。

运算指令 结果寄存器 参数2 参数3

结果寄存器必须为布尔类型，参数2和参数3必须是数字类型。

看着比较怪异，不过也没办法，暂时就这么书写吧。

逻辑and和or跟我们的数学运算指令一样，把结果写入到第一个参数，要求第一个参数必须是布尔类型的寄存器。

not指令接受一个布尔类型的寄存器，反转这个寄存器的值，和高级语言的（!）一样的效果。

看了这三个weed程序和weed语法后不知道你有何感想？算数运算；比较运算这些看着虽然比较怪异但是也能理解，但是最迷惑的应该是goto指令吧，

我们CPU的最基本的运行方式就是取值执行，每一个指令都有一个编号， CPU按照这个编号一个一个的获取指令然后执行它。

比如一个程序有100个指令，从1开始编号， CPU从一号指令开始执行，到100号指令结束，在这个过程里有个程序计数器控制CPU的当前要执行的指令编号。

如果我们修改这个程序计数器的话可以在这个100个指令里任意跳转，比如执行到10号指令是一个跳转指令，

goto true 50

这样的话程序计数器被修改为50，那么CPU下一次执行50号指令， 50号执行完毕后继续执行下一个指令51号52号等等，也就是直接跳过了从11号指令到49号指令，这样就可以实现if语句的功能。

循环也是同样的道理，还是执行到10号指令

goto true 5

这样的话程序只要到了10号指令，检查条件成立就会调回去到5号指令开始执行，什么时候条件不成立了就继续执行11号及后面的指令。

所以我们可以动态的修改程序计数器来实现分支语句和循环语句，程序计数器简写为PC。

那么我们的weed语言虚拟机内部也有一个PC，但是我们的跳转语句和真正的CPU的pc工作有很大差距。假设当前pc值为10

goto true 5 # 往前跳到15号指令开始执行
goto true -4 # 往后跳转到6号指令开始执行

如果你耐心的看到这里应该对weed语言有了个大概的理解了，那么接下来我们动手去实现这个虚拟机软件。