计算机栈式机器原理与实现

### 计算机栈式机器原理与实现 #### 1. 栈式机器程序设计概述 栈式机器在程序设计方面有其独特之处。在栈式机器中，一元或二元指令里不编码地址。编程时需采用后缀表示法，后缀表示法中的每个符号会被转换为一个栈操作（S - op）。对于一元操作，从栈中弹出操作数，执行操作后再将结果压回栈；对于二元操作，先从栈中弹出第二个操作数，再弹出第一个操作数，执行操作后把结果压回栈。 栈式机器程序主要通过一个名为 Lgo 的程序来模拟操作系统功能。该程序包含全局变量和局部过程的声明，具体如下： ```plaintext Program Lgo; Declare global variables and local procedures; Proc Load; Proc Go; Proc Svc; Proc Ope; Function StackOF; Function StackUF; Initialize RA; Call Load; {Load and initialize PC, FL, SF, SP.} Initialize SR; Call Go; ; End. ``` 这里，`Load` 过程用于加载可执行文件，`Go` 过程用于解释和执行程序，`StackOF` 函数检查栈溢出，`StackUF` 函数检查栈下溢。 #### 2. 程序详细设计与实现 ##### 2.1 全局变量声明 程序中定义了一系列全局变量，用于存储程序运行时的各种状态信息，如下所示： ```plaintext PROGRAM Lgo( argc, argv); {This program loads an executable file in memory, interprets and executes. Global variables are: endpgm - end program flag; FL - Field Length; IR - Instruction Register; M - Memory array; PC - Program Counter; RA - Relocation Address; SF - Stack Frame; SP - Stack Pointer; SR - Status Register; temp - temporary; } argv[], x endpgm DCL; (argc, FL, IR, PC, RA, SF, SP, SR, temp): short integer; M[O .. (64 * 1024 - 1)]: short integer; {Declare memory array as short integer with index ranging from 0 to (64K - 1). } : pointer; : logical; ENDDCL; ``` 这些变量涵盖了程序计数器、指令寄存器、内存数组等重要信息，为程序的正常运行提供了基础。 ##### 2.2 Load 过程 `Load` 过程的主要功能是读取可执行文件，并初始化相关寄存器。具体步骤如下： 1. 从文件中读取程序计数器、代码长度、数据长度和栈长度等信息。 2. 将文件内容读取到内存数组 `M` 中。 3. 计算字段长度 `FL` 和栈帧 `SF`，并设置栈指针 `SP`。 ```plaintext PROC Load; {x points to the file name 'test.exe' in our design. } Readfile x into (PC, codelen, datalen, stacklen) format(x4, 3(skip 1 char, x4)); {In the format, we have 4 char in hex for PC, and 3 is the duplicate factor. Each time, skip 1 char and the 4 - char in hex is for codelen, datalen, and stacklen. } {count - counter, codelen - code length, datalen - data length, stacklen - stack length.} DCL; (count, codelen, datalen, stacklen): integer; ENDDCL; x = argv[l]; Openfile x; count = 0; REPEAT; Readfile x into M[RA + count] format(x4); {Read 4 hex char into a 16 - bit memory word. } count = count + 2; UNTIL (count .GE. codelen); FL = codelen + datalen + stacklen; SF = codelen + datalen SP = FL; return; ENDPROC; ``` ##### 2.3 Go 过程 `Go` 过程负责解释和执行指令，其工作流程如下： 1. 从内存中获取指令。 2. 解析指令的操作码和位移量。 3. 根据操作码执行相应的操作，如栈指针操作、调用服务程序、操作符调用等。 4. 处理非法操作码和未定义操作码。 ```plaintext PROC Go; DCL; (mop, disp): short integer; ENDDCL;{mop - machine op, disp - displacement} REPEAT; IR = M[RA + PC]; {Fetch instruction.} PC = PC + 2; mop = IR .SHR. 12; {Shift logical right 12 bits.} disp = IR .AND. x'Offf; CASE mop of x'O': DO; {Illegal op} Writefile display from ('Illegal opcode at PC =" PC - 2) format(c, skip 4 char, x4); {The string uses the variable char format, followed by 4 spaces and 4 - char address in hex.} endpgm = TRUE; ENDDO; x'I': SP = SP + disp; {SP+} IF StackUF, THEN return; ENDIF; x'2': SP = SP - disp; {SP - } IF StackOF, THEN return; ENDIF; x'3': C ```