《LC3 虚拟机教程》总结

• 作者及资源：由 Justin Meiners 和 Ryan Pendleton 创作，可在GitHub repo查看最终代码和其他资源。
• 教程目标：教读者编写能运行汇编语言程序的虚拟机，帮助理解计算机内部运作和编程语言工作原理，代码约 250 行 C 语言（unix 版本和 windows 版本），只需懂基本 C 或 C++及二进制算术。

• 主要内容：

  • 虚拟机介绍：虚拟机像计算机，模拟 CPU 和其他硬件组件，能理解机器语言编程，根据目的模拟不同硬件，如视频游戏模拟器需忠实重现原设备细节，有的虚拟机则为软件开发方便而创建，如 Java 虚拟机可在数千设备上运行 Java 程序，虚拟机还可用于安全隔离执行代码，如以太坊智能合约。
  • LC - 3 架构：模拟 LC - 3 架构，它是用于教学的计算机架构，有简化指令集，包含内存（65536 个 16 位存储位置）、寄存器（10 个 16 位通用寄存器、程序计数器、条件标志寄存器）、指令集（16 种 opcode）和条件标志（3 种表示计算结果正负）。
  • 汇编示例：展示简单的 LC - 3 汇编程序“Hello World”和计数到 10 的程序，说明汇编是人类可读可写形式，需通过汇编器转换为二进制机器码，程序结构简单，循环和条件用类似 goto 的指令实现，学习汇编非必需但可自行编写和汇编程序。
  • 执行程序流程：加载指令、更新程序计数器、根据 opcode 执行指令、重复此过程，注意有些指令会改变执行流程，主循环中处理命令行输入，使程序可用。
  • 实现指令：详细阐述 ADD 和 LDI 指令的实现，包括不同模式（立即模式和寄存器模式）、符号扩展、更新条件标志等，其他指令可依此方法实现，代码可在教程结尾找到。
  • 指令 cheat sheet：包含其余指令（RTI、RES 除外）的完整实现代码，如 Bitwise and、Bitwise not、Branch 等。
  • 陷阱例程（Trap routines）：LC - 3 提供用于执行常见任务和与 I/O 设备交互的陷阱例程，每个陷阱例程有特定 trap code，在 VM 中用 C 实现，可利用操作系统的输入函数提高性能，完整陷阱例程代码在教程结尾。
  • 加载程序：介绍将汇编程序转换为机器码文件并加载到内存的过程，文件开头 16 位指定起始地址，需将大端序转换为小端序，还提供了方便的读取图像文件函数和交换 16 位值的函数。
  • 内存映射寄存器（Memory mapped registers）：LC - 3 有键盘状态寄存器（KBSR）和键盘数据寄存器（KBDR）等内存映射寄存器，通过特殊地址访问，读取和写入需调用特定函数，完成 VM 最后组件。
  • 平台特定细节：包含在不同平台（Linux/macOS/UNIX 和 Windows）上处理输入的函数，包括关闭输入缓冲、恢复输入缓冲、检查键盘输入等，在程序开始和结束时进行相应设置和处理。
  • 运行虚拟机：编译 VM 后，可下载已组装的程序文件（如 2048 或 Rogue），并以其路径作为参数运行 VM，提供了调试方法，若程序出错可通过调试器逐步检查指令。
  • 交替 C++技术：利用 C++泛型在编译时拼接指令执行代码，减少代码重复，更接近计算机硬件布线方式，完整 C++版本代码可查看。
  • 贡献：atul - g 贡献了参考卡，许多程序员用不同语言完成教程并在 GitHub 上以“lc3”标签组织，可提交自己的项目，感谢 inkydragon 贡献 Windows 平台支持，还需帮助完成集成测试。