C语言简单虚拟机指令实现 CPU

以下是一个简单的虚拟机指令实现的C语言代码示例：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

#define STACK_SIZE 256

typedef enum {
    PUSH,
    ADD,
    SUB,
    MUL,
    DIV,
    HLT
} InstructionSet;

typedef struct {
    int* data;
    int size;
    int top;
} Stack;

Stack* createStack(int size) {
    Stack* stack = (Stack*) malloc(sizeof(Stack));
    stack->data = (int*) malloc(sizeof(int) * size);
    stack->size = size;
    stack->top = -1;
    return stack;
}

void push(Stack* stack, int value) {
    if (stack->top < stack->size - 1) {
        stack->top++;
        stack->data[stack->top] = value;
    } else {
        printf("Stack overflow!\n");
    }
}

int pop(Stack* stack) {
    if (stack->top > -1) {
        int value = stack->data[stack->top];
        stack->top--;
        return value;
    } else {
        printf("Stack underflow!\n");
        return -1;
    }
}

int main() {
    int program[] = {
        PUSH, 5,
        PUSH, 10,
        ADD,
        PUSH, 20,
        ADD,
        HLT
    };
    int programSize = sizeof(program) / sizeof(program[0]);

    Stack* stack = createStack(STACK_SIZE);

    for (int i = 0; i < programSize; i++) {
        switch (program[i]) {
            case PUSH:
                i++;
                push(stack, program[i]);
                break;
            case ADD: {
                int a = pop(stack);
                int b = pop(stack);
                push(stack, a + b);
                break;
            }
            case SUB: {
                int a = pop(stack);
                int b = pop(stack);
                push(stack, b - a);
                break;
            }
            case MUL: {
                int a = pop(stack);
                int b = pop(stack);
                push(stack, a * b);
                break;
            }
            case DIV: {
                int a = pop(stack);
                int b = pop(stack);
                push(stack, b / a);
                break;
            }
            case HLT:
                printf("Program halted!\n");
                break;
            default:
                printf("Unknown instruction!\n");
                break;
        }
    }

    printf("Result: %d\n", pop(stack));

    free(stack->data);
    free(stack);

    return 0;
}

以上代码实现了一个简单的虚拟机，支持 PUSH、ADD、SUB、MUL、DIV 和 HLT 指令。程序通过一个数组来表示指令序列，每次循环读取一个指令并执行相应的操作。程序使用栈来实现运算和结果存储。

增加跳转指令

好的，以下是增加跳转指令后的C语言代码示例：

#include <stdio.h>

#define STACK_SIZE 100

int stack[STACK_SIZE];
int sp = 0; // 栈指针
int pc = 0; // 程序计数器

void push(int value) {
    if (sp < STACK_SIZE) {
        stack[sp++] = value;
    } else {
        printf("Stack overflow!\n");
    }
}

int pop() {
    if (sp > 0) {
        return stack[--sp];
    } else {
        printf("Stack underflow!\n");
        return 0;
    }
}

void execute(int code[], int size) {
    while (pc < size) {
        int opcode = code[pc++];
        switch (opcode) {
            case 0: // HALT
                return;
            case 1: // PUSH
                push(code[pc++]);
                break;
            case 2: // ADD
                push(pop() + pop());
                break;
            case 3: // SUB
                push(-pop() + pop());
                break;
            case 4: // MUL
                push(pop() * pop());
                break;
            case 5: // DIV
                push(1 / pop() * pop());
                break;
            case 6: // JMP
                pc = code[pc];
                break;
            case 7: // JZ
                if (pop() == 0) {
                    pc = code[pc];
                } else {
                    pc++;
                }
                break;
            case 8: // JNZ
                if (pop() != 0) {
                    pc = code[pc];
                } else {
                    pc++;
                }
                break;
            case 9: // PRINT
                printf("%d\n", pop());
                break;
            default:
                printf("Unknown opcode: %d\n", opcode);
                return;
        }
    }
}

int main() {
    int code[] = {
        1, 10, // PUSH 10
        1, 20, // PUSH 20
        2,     // ADD
        9,     // PRINT
        0      // HALT
    };
    execute(code, sizeof(code) / sizeof(int));
    return 0;
}

其中，新增了三个跳转指令：

• JMP：跳转到指定的程序计数器位置。
• JZ：如果栈顶元素为0，则跳转到指定的程序计数器位置。
• JNZ：如果栈顶元素不为0，则跳转到指定的程序计数器位置。

增加函数支持

好的，以下是增加函数支持后的C语言代码示例：

#include <stdio.h>

#define MAX_STACK_SIZE 100

int stack[MAX_STACK_SIZE];
int sp = 0; // stack pointer

int pc = 0; // program counter
int instructions[] = {
    1, // push 1
    2, // push 2
    3, // add
    4, // print
    5, // call add function
    6, // ret
    0  // end of program
};

void push(int value) {
    stack[sp++] = value;
}

int pop() {
    return stack[--sp];
}

int add(int a, int b) {
    return a + b;
}

void execute() {
    while (1) {
        int instruction = instructions[pc++];

        switch (instruction) {
            case 0: // end of program
                return;
            case 1: // push
                push(1);
                break;
            case 2: // push
                push(2);
                break;
            case 3: // add
                push(add(pop(), pop()));
                break;
            case 4: // print
                printf("%d\n", pop());
                break;
            case 5: // call add function
                push(pc); // save return address on stack
                pc = 7; // jump to add function
                break;
            case 6: // ret
                pc = pop(); // return to saved return address
                break;
        }
    }
}

int main() {
    execute();
    return 0;
}

在上述代码中，我们增加了一个add函数，用于计算两个数的和。同时，我们增加了两个新的指令：call和ret，用于支持函数调用和返回。当执行call指令时，我们将当前指令的地址保存到栈中，并跳转到函数的起始位置；当执行ret指令时，我们从栈中弹出保存的返回地址，并跳转回到该地址。这样就能够支持函数调用和返回了。