Emulador de uma máquina virtual básica e seu respectivo montador, possibilitando que usuários escrevam programas a serem executados pela máquina virtual.
Trabalho prático implementado na disciplina Software Básico cursada na UFMG no semestre 2019/1.
Implementado com a linguagem C
A máquina virtual emulada contém 3 registradores de propósito específico:
- PC (contador de programas): contém o endereço da próxima instrução a ser executada
- AP (apontador da pilha): aponta para o elemento no topo da pilha
- PEP (palavra de estado do processador): consiste em 2 bits que armazenam o estado da última operação lógico/aritmética realizada na máquina, sendo um dos bits para indicar que a última operação resultou em zero, e outro bit para indicar que a última operação resultou em um valor negativo
A máquina ainda tem 4 registradores de propósito geral indexados por um valor que varia de 0 a 3
A máquina possui uma memória de 1000 posições capaz de armazenar apenas números inteiros.
A única forma de endereçamento existente na máquina é direto, relativo ao registrador PC.
A máquina virtual é capaz de executar as 25 instruções especificadas abaixo:
Observações:
- As instruções READ e WRITE lêem e escrevem um inteiro na saída padrão do emulador
- As instruções são codificadas em um inteiro, podendo ter dois, um ou nenhum operando, que é o caso das instruções RET e HALT.
- Os operandos podem ser uma posição de memória (M, codificado como inteiro) ou um registrador de propósito geral (R, codificado como um inteiro entre 0 e 3).
O emulador da máquina virtual roda em linha de comando e recebe como entrada um arquivo executável para a máquina virtual.
O arquivo de entrada é definido em modo texto e deve conter as 3 linhas seguintes:
-
1ª linha: Cabeçalho de Identificação:
A primeira linha do arquivo deve conter o seguinte cabeçalho de identificação:
“MV-EXE↵” (fim de linha)
Se o cabeçalho não for encontrado no arquivo, o loader acusa um erro de formato não-executável.
-
2ª linha: Informações Adicionais:
A segunda linha deve conter 4 inteiros, separados por espaços:
- Tamanho do programa: número de posições de memória ocupadas pelo programa
- Endereço de carregamento: posição de memória na qual o programa deverá ser inicialmente carregado.
- Valor inicial da pilha: inicialização do registrador AP;
- Entry Point do programa: posição de memória onde a execução do programa deve começar – inicialização do registrador PC
-
3ª linha a diante: Instruções do programa Instrucões do programa em linguagem de máquina simbólica (definida em inteiros codificados em decimal). As instruções do programa devem ser separadas por espaço.
Exemplo de arquivo de entrada do emulador:
Esse arquivo contém um programa que lê um valor da entrada, e imprime o valor recebido + 100 na saída:
Interpretação:
2ª linha:
- O tamanho do programa é 12 (número de instruções + número de operandos + número de valores armazenados na memória)
- O endereço de carregamento do programa na memória será a posição 100
- Registrador AP é inicializado com o valor 999
- A execução do programa começará na posição 100 da memória
3ª linha:
- Operação READ (código 3) para o registrador 0
- Operação LOAD (código 1) da posição de memória 6 para o registrador 1
- Operação ADD (código 19) dos registradores 0 e 1
- Operação WRITE (código 4) do valor no registrador 0
- HALT (código 0)
- Definição do valor 100 na memória
O montador é de dois passos e recebe como entrada um programa em linguagem simbólica com uma instrução por linha no seguinte formato:
[<label>:] <operador> <operando1> <operando2> [; comentário]
<label> é o símbolo textual da instrução e deve ser seguido de seus respectivos operandos.
Os operandos podem ser tanto registradores de propósito geral (R0, R1, R2, R3, identificados respectivamente por 0, 1, 2 e 3) como posições de memória do programa, identificadas por labels.
Ainda é possível definir comentários com o caracter ;
Além das instruções definidas para o emulador, o montador oferece as duas pseudo-instruções seguintes:
- WORD <valor>: Reserva a posição de memória e a inicializa com o inteiro <valor>
- END: Indica o final do programa ao montador
A posição de memória dos desvios e instruções LOAD/STORE é relativa ao PC
Exemplo de arquivo de entrada do montador:
Para executar é preciso ter instalado o make e o compilador gcc.
# compila código fonte
make./assembler <caminho_arquivo_entrada> > <caminho_arquivo_saida>O arquivo de entrada passado deve estar em linguagem de montagem simbólica no formato especificado.
O emulador pode ser executado com o seguinte comando:
./emulator [-v] <caminho_arquivo_entrada>A flag -v pode ser passada para ativar o modo verbose. Nesse modo o emulador imprime a cada instrução, a operação que está sendo executada, acrescido de um dump dos 7 registradores
O arquivo passado deve estar em linguagem de máquina simbólica no formato especificado
Estão disponíveis no diretório testes 4 programas básicos na linguagem de montagem especificada para testar o montador e as instruções do emulador.
- Fibonacci: Lê um número inteiro n da entrada padrão e imprime o n-ésimo número da sequência de fibonacci.
- Inverte: Lê 5 números inteiros da entrada padrão e os imprime em ordem contrária
- Mediana: Lê 5 números inteiros da entrada padrão e imprime a mediana deles.
- Operações: Lê dois números A e B da entrada padrão e imprime os resultados das seguintes operações:
- A AND B
- A OR B
- NOT A
- A XOR B
- A + B
- A - B
- A x B
- A : B
- A mod B
Execução:
# gera o arquivo executável
./assembler testes/fibonacci > testes/fibonacci_exec
# executa programa
./emulator testes/fibonacci_exec