深入解析 Chip-8 虛擬機器函式呼叫機制

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在 Chip-8 虛擬機器中，函式呼叫和傳回機制是其核心功能之一。這些機制允許程式碼模組化和重用，提升程式設計效率。函式呼叫透過 CALL 指令實作，將當前程式計數器（PC）的值壓入堆積疊，然後跳轉到目標地址執行函式程式碼。函式傳回則透過 RETURN 指令實作，從堆積疊中彈出傳回地址，並將 PC 設定為該地址，繼續執行主程式。堆積疊指標（SP）用於追蹤堆積疊的頂部位置，確保函式呼叫和傳回的正確性。記憶體管理在 Chip-8 中也扮演著重要角色，用於儲存程式碼、資料和堆積疊。理解這些核心組成部分以及它們之間的互動，對於理解 Chip-8 虛擬機器的運作至關重要。

範例程式碼

以下是一個簡單的範例程式碼，示範如何實作 CPU 架構擴充套件：

struct CPU {
    //...
    stack: Vec<u16>,
    //...
}

impl CPU {
    //...

    fn execute_call(&mut self, nnn: u16) {
        self.stack.push(self.position_in_memory);
        self.position_in_memory = nnn;
    }

    fn execute_return(&mut self) {
        if let Some(address) = self.stack.pop() {
            self.position_in_memory = address;
        }
    }

    //...
}

在這個範例中，我們定義了一個 CPU 結構體，其中包含一個 stack 欄位，用於儲存地址。我們還實作了 execute_call 和 execute_return 方法，分別對應 CALL 和 RETURN opcode。

定義函式並載入記憶體

在電腦科學中，函式只是一串可以被玄貓執行的位元組序列。CPU從第一個操作碼開始，然後一步一步地執行到結尾。以下幾個程式碼片段展示瞭如何從位元組序列轉換為CPU RIA/3中的可執行程式碼。

定義函式

我們的函式執行兩次加法運算，然後傳回。雖然很簡單，但卻很有意義。它由三個操作碼組成。函式的內部結構使用類別似於組合語言的標記法表示如下：

add_twice: 0x8014 0x8014 0x00EE

將操作碼轉換為Rust資料型別

將這三個操作碼轉換為Rust的陣列語法，涉及將它們包裹在方括號中，並使用逗號分隔每個數字。函式現在已經變成了一個 [u16;3] 陣列：

let add_twice: [u16; 3] = [
    0x8014,
    0x8014,
    0x00EE,
];

為了能夠在下一步中處理單個位元組，我們將進一步將 [u16;3] 陣列分解為 [u8;6] 陣列：

let add_twice: [u8; 6] = [
    0x80, 0x14,
    0x80, 0x14,
    0x00, 0xEE,
];

內容解密：

上述程式碼展示瞭如何定義一個函式並將其轉換為可執行的位元組序列。首先，我們使用類別似於組合語言的標記法定義了函式 add_twice，它包含三個操作碼。然後，我們將這些操作碼轉換為Rust的 [u16;3] 陣列，最後又進一步將其分解為 [u8;6] 陣列，以便能夠單獨處理每個位元組。

圖表翻譯：

  flowchart TD
    A[定義函式] --> B[轉換為Rust陣列]
    B --> C[分解為[u8;6]陣列]
    C --> D[載入記憶體]

此圖表展示了從定義函式到載入記憶體的過程。首先，我們定義函式 add_twice，然後將其轉換為Rust的陣列語法，最後分解為 [u8;6] 陣列以便載入記憶體。

實作CPU呼叫和傳回指令

在瞭解瞭如何將函式載入記憶體後，現在是時候學習如何指示CPU實際呼叫它。呼叫函式是一個三步驟的過程：

  1. 將當前的記憶體位置儲存到堆積疊中。
  2. 增加堆積疊指標。
  3. 將當前的記憶體位置設定為預期的記憶體地址。

傳回函式涉及反轉呼叫過程：

  1. 減少堆積疊指標。
  2. 從堆積疊中檢索呼叫記憶體地址。
  3. 將當前的記憶體位置設定為預期的記憶體地址。

以下是實作呼叫和傳回指令的示例：

fn call(&mut self, address: u16) {
    // 將當前的記憶體位置儲存到堆積疊中
    self.stack.push(self.pc);
    // 增加堆積疊指標
    self.sp += 1;
    // 將當前的記憶體位置設定為預期的記憶體地址
    self.pc = address;
}

fn ret(&mut self) {
    // 減少堆積疊指標
    self.sp -= 1;
    // 從堆積疊中檢索呼叫記憶體地址
    let address = self.stack.pop().unwrap();
    // 將當前的記憶體位置設定為預期的記憶體地址
    self.pc = address;
}

在這個示例中，call 方法將當前的記憶體位置儲存到堆積疊中，增加堆積疊指標，並將當前的記憶體位置設定為預期的記憶體地址。ret 方法減少堆積疊指標，從堆積疊中檢索呼叫記憶體地址，並將當前的記憶體位置設定為預期的記憶體地址。

載入函式到記憶體

在瞭解瞭如何實作呼叫和傳回指令後，現在是時候學習如何載入函式到記憶體。以下是兩種載入函式到記憶體的方法：

fn main() {
    let mut memory: [u8; 4096] = [0; 4096];
    let mem = &mut memory;

    let add_twice = [
        0x80, 0x14,
        0x80, 0x14,
        0x00, 0xEE,
    ];

    // 方法1：使用 copy_from_slice
    mem[0x100..0x106].copy_from_slice(&add_twice);

    // 方法2：直接覆寫位元組
    mem[0x100] = 0x80; mem[0x101] = 0x14;
    mem[0x102] = 0x80; mem[0x103] = 0x14;
    mem[0x104] = 0x00; mem[0x105] = 0xEE;
}

在這個示例中，add_twice 函式被載入到記憶體地址 0x100。第一種方法使用 copy_from_slice 方法將函式複製到記憶體中。第二種方法直接覆寫位元組將函式載入到記憶體中。

堆積疊溢位與傳回指令的實作

在實作虛擬機器或直譯器時，堆積疊溢位和傳回指令是兩個重要的概念。堆積疊溢位發生在程式嘗試儲存超出堆積疊大小的資料時，而傳回指令則用於從子程式傳回到主程式。

堆積疊溢位的檢查

在以下程式碼中，我們可以看到堆積疊溢位的檢查是如何實作的：

fn call(&mut self, addr: u16) {
    let sp = self.stack_pointer;
    let stack = &mut self.stack;

    if sp > stack.len() {
        panic!("Stack overflow!")
    }
    //...
}

這段程式碼檢查當前堆積疊指標 sp 是否超出了堆積疊的大小 stack.len()。如果超出，則觸發一個堆積疊溢位的錯誤。

傳回指令的實作

傳回指令 ret 的實作如下：

fn ret(&mut self) {
    if self.stack_pointer == 0 {
        //...
    }
    //...
}

這段程式碼檢查當前堆積疊指標 self.stack_pointer 是否為 0。如果為 0，則表示沒有可傳回的子程式，因此需要進行相應的處理。

內容解密：

在這兩個函式中，我們可以看到堆積疊指標 sp 和 self.stack_pointer 的使用。堆積疊指標用於追蹤當前堆積疊的位置，而 self.stack_pointer 則是虛擬機器的堆積疊指標。

在 call 函式中，我們首先檢查是否會發生堆積疊溢位。如果不會發生溢位，則將當前位置儲存到堆積疊中，並將堆積疊指標遞增。

在 ret 函式中，我們檢查是否可以傳回到上一層子程式。如果可以，則需要從堆積疊中彈出傳回地址，並將堆積疊指標遞減。

圖表翻譯：

  flowchart TD
    A[呼叫函式] --> B[檢查堆積疊溢位]
    B -->|無溢位| C[儲存傳回地址]
    B -->|有溢位| D[觸發錯誤]
    C --> E[遞增堆積疊指標]
    E --> F[跳轉到目標地址]
    F --> G[執行目標函式]
    G --> H[傳回]
    H --> I[檢查堆積疊指標]
    I -->|非零| J[彈出傳回地址]
    J --> K[遞減堆積疊指標]
    K --> L[傳回到呼叫者]

這個流程圖描述了呼叫函式和傳回指令的執行過程。它展示瞭如何檢查堆積疊溢位、儲存傳回地址、跳轉到目標地址、執行目標函式、傳回到呼叫者等步驟。

CPU RIA/3：呼叫者（The Caller）的實作

現在，我們已經具備了所有必要的組成部分，讓我們將它們組裝成一個可工作的程式。清單 5.29 可以計算一個硬編碼的數學表示式。以下是其輸出：

5 + (10 * 2) + (10 * 2) = 45

這個計算是沒有您可能習慣的原始碼的情況下完成的。您需要使用十六進位制數字進行解釋。為了幫助您，圖 5.4 展示了 CPU 在 cpu.run() 期間的狀態。箭頭反映了 cpu.position_in_memory 變數的狀態，因為它在程式中移動。

清單 5.29 顯示了我們完成的 CPU RIA/3 模擬器，即呼叫者（The Caller）。您可以在 ch5/ch5-cpu3/src/main.rs 中找到此清單的原始碼。

清單 5.28：新增 call() 和 ret() 方法

// 將當前的 position_in_memory 新增到堆積疊中
// 這個記憶體地址比呼叫位置高兩個位元組
// 因為它是呼叫後傳回的位置
self.stack.push(self.position_in_memory);

清單 5.29：CPU RIA/3 的完成實作

// 實作 CPU RIA/3 的 run 方法
fn run(&mut self) {
    // 執行程式
    loop {
        let opcode = self.memory[self.position_in_memory];
        match opcode {
            //...
            0x10 => self.call(),
            0x11 => self.ret(),
            //...
        }
    }
}

// 實作 call 方法
fn call(&mut self) {
    // 將當前的 position_in_memory 新增到堆積疊中
    self.stack.push(self.position_in_memory);
    // 取得呼叫地址
    let call_addr = self.stack[self.stack_pointer];
    // 設定新的 position_in_memory
    self.position_in_memory = call_addr as usize;
}

// 實作 ret 方法
fn ret(&mut self) {
    // 從堆積疊中彈出傳回地址
    self.stack_pointer -= 1;
    let return_addr = self.stack[self.stack_pointer];
    // 設定新的 position_in_memory
    self.position_in_memory = return_addr as usize;
}

內容解密：

在上面的程式碼中，我們實作了 CPU RIA/3 的 call() 和 ret() 方法。call() 方法將當前的 position_in_memory 新增到堆積疊中，並設定新的 position_in_memory 為呼叫地址。ret() 方法從堆積疊中彈出傳回地址，並設定新的 position_in_memory 為傳回地址。

圖表翻譯：

  flowchart TD
    A[CPU 執行程式] --> B[取得 opcode]
    B --> C{opcode 判斷}
    C -->|0x10| D[呼叫 call()]
    C -->|0x11| E[傳回 ret()]
    D --> F[將 position_in_memory 新增到堆積疊中]
    D --> G[設定新的 position_in_memory]
    E --> H[從堆積疊中彈出傳回地址]
    E --> I[設定新的 position_in_memory]

在這個流程圖中，我們展示了 CPU 執行程式的流程。當 CPU 取得到 opcode 時，會根據 opcode 的值進行不同的操作。如果 opcode 是 0x10，則呼叫 call() 方法；如果 opcode 是 0x11，則呼叫 ret() 方法。

程式設計中的堆積疊指標與記憶體位置控制

在程式設計中，堆積疊指標（stack pointer）是一個重要的概念，尤其是在管理記憶體位置和控制程式流程時。下面，我們將深入探討堆積疊指標的作用以及它如何影響記憶體位置的控制。

堆積疊指標的作用

堆積疊指標是一個特殊的暫存器，負責記錄目前堆積疊的位置。當我們呼叫一個函式或方法時，程式會將目前的執行位置壓入堆積疊中，並更新堆積疊指標以指向新的位置。這樣，當函式傳回時，程式可以從堆積疊中彈出之前的執行位置並繼續執行。

記憶體位置控制

在程式設計中，記憶體位置控制是非常重要的。當我們呼叫一個函式或方法時，程式需要將目前的執行位置儲存起來，以便在函式傳回時可以還原到之前的狀態。這就是堆積疊指標的作用。

class ProgramCounter:
    def __init__(self):
        self.stack_pointer = 0
        self.position_in_memory = 0

    def run(self):
        # 呼叫一個函式或方法
        self.stack_pointer += 1  # 增加堆積疊指標
        self.position_in_memory = self.stack_pointer  # 更新記憶體位置

        # 執行函式或方法
        print("執行函式或方法")

        # 函式傳回
        self.stack_pointer -= 1  # 減少堆積疊指標
        self.position_in_memory = self.stack_pointer  # 更新記憶體位置

# 建立一個ProgramCounter物件
pc = ProgramCounter()

# 執行程式
pc.run()

跳轉到記憶體位置

在程式設計中，跳轉到記憶體位置是一個常見的操作。當我們呼叫一個函式或方法時，程式需要跳轉到該函式或方法的記憶體位置以執行它。

  flowchart TD
    A[呼叫函式或方法] --> B[更新堆積疊指標]
    B --> C[跳轉到記憶體位置]
    C --> D[執行函式或方法]
    D --> E[函式傳回]
    E --> F[更新堆積疊指標]

內容解密：

  • self.stack_pointer += 1：增加堆積疊指標以儲存目前的執行位置。
  • self.position_in_memory = self.stack_pointer：更新記憶體位置以指向新的執行位置。
  • self.stack_pointer -= 1：減少堆積疊指標以還原到之前的執行位置。
  • self.position_in_memory = self.stack_pointer：更新記憶體位置以指向之前的執行位置。

圖表翻譯：

  • A[呼叫函式或方法]：代表程式呼叫一個函式或方法。
  • B[更新堆積疊指標]：代表程式更新堆積疊指標以儲存目前的執行位置。
  • C[跳轉到記憶體位置]：代表程式跳轉到新的執行位置。
  • D[執行函式或方法]：代表程式執行被呼叫的函式或方法。
  • E[函式傳回]：代表函式或方法傳回。
  • F[更新堆積疊指標]：代表程式更新堆積疊指標以還原到之前的執行位置。

實作CPU以證明函式也是資料

在電腦科學中，CPU（中央處理器）是電腦的核心元件，負責執行指令和管理資料。為了證明函式也是資料，我們可以實作一個簡單的CPU模型。

CPU結構

以下是CPU的結構定義：

struct CPU {
    registers: [u8; 16], // 16個8位元組的暫存器
    position_in_memory: usize, // 目前記憶體位置
    memory: [u8; 4096], // 4096個8位元組的記憶體
    stack: [u16; 16], // 16個16位元組的堆積疊
    stack_pointer: usize, // 堆積疊指標
}

讀取指令碼

為了執行指令，我們需要讀取指令碼。以下是讀取指令碼的方法：

impl CPU {
    fn read_opcode(&self) -> u16 {
        let p = self.position_in_memory;
        let op_byte1 = self.memory[p] as u16;
        let op_byte2 = self.memory[p + 1] as u16;
        op_byte1 << 8 | op_byte2
    }
}

這個方法讀取目前記憶體位置的兩個位元組，然後將它們合併成一個16位元組的指令碼。

指令碼結構

指令碼的結構如下：

  flowchart TD
    A[指令碼] --> B[操作碼]
    B --> C[運算元1]
    C --> D[運算元2]

指令碼解釋

指令碼由操作碼和運算元組成。操作碼指定了指令的型別，運算元則指定了指令的引數。

函式也是資料

在這個CPU模型中，函式也是資料。函式可以被儲存到記憶體中，然後被讀取和執行。這個概念可以用以下的Mermaid圖表來表示：

  flowchart TD
    A[函式] --> B[資料]
    B --> C[記憶體]
    C --> D[CPU]
    D --> E[執行]

圖表翻譯

這個圖表顯示了函式如何被儲存到記憶體中，然後被CPU讀取和執行。這個過程證明瞭函式也是資料。

解析 Chip-8 虛擬機器的運作流程

在開始探討 Chip-8 虛擬機器的運作流程之前，我們需要了解基本的結構和指令集。Chip-8 是一種簡單的虛擬機器，設計用於學習和實驗目的。

虛擬機器的核心組成部分

  1. 記憶體（Memory）：Chip-8 虛擬機器具有 4096 個位元組的記憶體，地址範圍從 0x000 到 0xFFF。
  2. 暫存器（Registers）：虛擬機器有 16 個 8 位元的通用暫存器（V0 至 VF），以及一個程式計數器（PC）、索引暫存器（I）和堆積疊指標（SP）。
  3. 堆積疊（Stack）：用於儲存子程式呼叫的傳回地址。

指令集

Chip-8 的指令集相對簡單，每個指令都是 2 個位元組長。指令的格式通常如下：

  • opcode：每個指令都有一個唯一的操作碼（opcode），用於識別指令的型別。
  • 運算元：根據指令的不同，可能包含暫存器索引、立即數或記憶體地址等。

執行流程

當虛擬機器執行時，它會不斷地從記憶體中讀取指令並執行。下面是一個簡化的執行流程：

  1. 讀取指令：從當前程式計數器（PC）所指的記憶體位置讀取一個指令。每個指令都是 2 個位元組長，因此 PC 會增加 2 以準備讀取下一個指令。
  2. 解碼指令：根據指令的操作碼（opcode）來決定需要執行什麼動作。這包括了載入、儲存、跳躍、呼叫子程式等多種操作。
  3. 執行指令：根據指令的型別和運算元，執行相應的動作。例如，如果是載入指令，則將指定的值載入到指定的暫存器中。
  4. 更新程式計數器：如果指令涉及跳躍或子程式呼叫，則更新程式計數器以反映新的執行位置。
  5. 重複：回到步驟 1，繼續讀取和執行下一個指令，直到遇到停止或離開的條件。

範例程式碼分析

給定的程式碼片段展示瞭如何從 opcode 中提取不同的欄位，並更新程式計數器：

fn run(&mut self) {
    loop {
        let opcode = self.read_opcode();
        self.position_in_memory += 2;

        let c = ((opcode & 0xF000) >> 12) as u8;
        let x = ((opcode & 0x0F00) >> 8) as u8;
        let y = ((opcode & 0x00F0) >> 4) as u8;
        let d = ((opcode & 0x000F) >> 0) as u8;

        let nnn = opcode & 0x0FFF;
        //...
    }
}

這段程式碼首先讀取一個 opcode，並根據 opcode 的不同部分提取出 c、x、y 和 d 欄位，這些欄位對應著不同的暫存器或操作。然後，它計算出 nnn 的值，該值可能代表著一個 12 位元的記憶體地址。

CPU架構中的使用者定義函式模擬

在設計CPU架構時，模擬其行為是非常重要的步驟之一。以下是一個簡單的範例，展示如何模擬一個CPU的行為，該CPU包含使用者定義的函式。

指令集架構

首先，我們需要定義CPU的指令集架構。指令集架構決定了CPU可以執行哪些指令。以下是一個簡單的指令集架構：

| Opcode | 功能 |
| --- | --- |
| 0x21 | 載入資料 |
| 0x80 | 執行使用者定義函式 |
| 0x00 | 結束程式 |

記憶體組織

接下來，我們需要定義CPU的記憶體組織。記憶體組織決定了資料如何儲存和存取。以下是一個簡單的記憶體組織：

| 地址 | 內容 |
| --- | --- |
| 0x0000 | 程式起始地址 |
| 0x0100 | 使用者定義函式表 |
| 0x1000 | 資料區塊 |

程式範例

以下是一個簡單的程式範例，展示如何使用上述指令集架構和記憶體組織：

; 程式起始地址
0x0000: 21 00    ; 載入資料
0x0002: 80 14    ; 執行使用者定義函式
0x0004: 80 14    ; 執行使用者定義函式
0x0006: 00 EE    ; 結束程式

; 使用者定義函式表
0x0100: 06 07    ; 函式1
0x0102: 01       ; 函式2
0x0103: 02 03 04 ; 函式3
0x0106: 05       ; 函式4
0x0107: 09       ; 函式5
0x0108: 08       ; 函式6

; 資料區塊
0x1000: 21 00    ; 資料1

執行過程

當CPU執行上述程式時，會按照以下步驟進行：

  1. 載入資料：CPU會將資料從記憶體地址0x1000載入到暫存器中。
  2. 執行使用者定義函式：CPU會根據使用者定義函式表中的內容，執行相應的函式。
  3. 結束程式：CPU會結束程式的執行。

內容解密：

上述程式範例展示瞭如何使用指令集架構和記憶體組織來模擬CPU的行為。其中，指令集架構決定了CPU可以執行哪些指令，而記憶體組織決定了資料如何儲存和存取。使用者定義函式表允許使用者定義自己的函式，並將其儲存在記憶體中。當CPU執行程式時，會按照指令集架構和記憶體組織的規則，執行相應的指令和函式。

圖表翻譯：

以下是上述程式範例的流程圖：

  flowchart TD
    A[程式起始地址] --> B[載入資料]
    B --> C[執行使用者定義函式]
    C --> D[結束程式]
    D --> E[結束]

上述流程圖展示了CPU執行程式的過程，包括載入資料、執行使用者定義函式和結束程式。

程式控制流程深度剖析

在瞭解程式的運作過程中，控制流程扮演著至關重要的角色。控制流程決定了程式中指令的執行順序，直接影響著程式的行為和結果。在本文中，我們將深入探討控制流程的概念，並以實際的程式碼為例，闡述其工作原理。

基本控制流程

控制流程是指程式中指令執行的順序。最基本的控制流程包括順序執行、條件跳轉和迴圈。順序執行是指指令按照其在程式中的順序依次執行。條件跳轉則根據特定條件決定是否跳轉到程式中的其他位置執行指令。迴圈允許程式重複執行一段指令直到某個條件滿足。

控制流程的實作

在現代電腦系統中，控制流程通常由中央處理器（CPU）實作。CPU透過執行指令來控制程式的流程。每個指令都有一個唯一的操作碼（opcode），用於識別指令的型別和操作。CPU根據操作碼決定如何執行指令。

實際案例分析

下面是一個簡單的程式碼片段，示範了控制流程的實作：

match opcode {
    0x0000 => { /* 做某事 */ },
    0x0001 => { /* 做另一件事 */ },
    0x0002 => { /* 呼叫函式 */ },
    _ => { /* 處理未知操作碼 */ },
}

在這個例子中，match陳述式用於根據操作碼(opcode)的值決定執行哪一塊程式碼。這是一種條件跳轉的實作，根據不同的條件（操作碼的值）執行不同的動作。

控制流程圖

控制流程圖是一種視覺化工具，用於展示程式中的控制流程。下面是一個簡單的控制流程圖：

  flowchart TD
    A[開始] --> B[條件判斷]
    B -->|true| C[執行動作1]
    B -->|false| D[執行動作2]
    C --> E[結束]
    D --> E

這個圖表示了程式從開始到結束的控制流程，根據條件判斷決定執行哪一塊動作。

圖表翻譯：

上述控制流程圖展示了程式中的控制流程決策過程。首先，程式從開始點（A）啟動，然後進入條件判斷（B）。如果條件為真，則執行動作1（C），否則執行動作2（D）。無論哪一條路徑，最終都會到達結束點（E）。

從技術架構視角來看，本文深入淺出地介紹了CPU架構中關於函式呼叫、堆積疊管理以及指令執行的核心機制。透過Rust程式碼範例，我們清晰地看到了如何模擬call和ret指令的操作，以及如何將函式作為資料載入到記憶體並執行。分析CPU如何利用堆積疊指標精確控制記憶體位置，以及如何處理堆積疊溢位等潛在風險，更展現了程式控制流程的精妙之處。然而，簡化的Chip-8虛擬機器模型在指令集和記憶體管理方面仍存在侷限性，真實CPU架構的複雜度遠超於此。展望未來，隨著硬體技術的持續發展，更高效、更安全的CPU架構勢必將在指令集、記憶體管理、平行處理等方面持續演進。對於開發者而言，深入理解底層硬體原理，才能更好地駕馭技術發展，創造出更具效能和穩定性的軟體應用。玄貓認為，掌握這些底層知識，才能在軟體開發的道路上走得更遠。

玄貓

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技術愛好者，專注於分享程式開發、雲端技術與 AI 應用的心得體會。