Chapter 01

Virtual Machine (VM) 16-Bits Register-Based

Requirement

• Register-Based Virtual Machine
• Signed, Unsigned and Floating Point Operations
• Call Stack / Stack Frame Structure
• Interrupt Capabilities
• Memory Mapping
• Powerful Assembly Language
• C-Like Language
• Fantasy Game Console

Turing Machine

• ไม่สามารถสร้าง Infinite Tape ได้ เลยต้องสร้างอะไรที่มาทดแทน

Vonn-Neumann Architecture

• Finite Amount of Memory
  • Sequentially Addressable
  • ใช้ 0 กับ 1 ในการเก็บค่า
  • ค่าสามารถเก็บ (Stored) และ โหลด (Loaded) ออกมาจาก Memory ได้
• Table of Instruction + The Current Machine State แทนด้วย CPU (Central Processing Unit)

Central Processing Unit (CPU)

• Modified its internal state as well as modified memory, Built upon Boolean Logic in Digital Circuit
  • or Logic Gate: NOT, AND, OR, NAND, NOR, XOR, XNOR
    • Arithmetic: Half Adder, etc.
    • Multiplexer (Mux)
    • etc.

Power of CPU

• Power of CPU ขึ้นอยู่กับ Instruction
  • เช่น
    • 6502
      • 56 Instructions
      • ใช้ใน
        • Nintendo Entertainment System (NES)
        • C64
        • Apple II
    • Z80
      • 252+ Instructions
      • ใช้ใน
        • Zx Spectrum
        • Sega Master System
        • Pac-Man
    • 8086
      • ~85 Instructions
      • ใช้ใน
        • Compaq Deskpro
        • IBM PS/2

Instruction Work

• Memory Data Around
• Math & Manipulation
• Jumping around to different parts of a program
• Making Comparison & Decision about how to proceed with program
• Subroutine / Subprocess

Making of Virtual Machine

Make Part of Virtual Machine

• Memory
• Central Processing Unit (CPU)

Implementation

• Memory: Using ArrayBuffer
  • ArrayBuffer: Object is used to represent a generic raw binary data buffer (also called “Array of Byte” or “Byte Array”)
  • Return as “DataView”
    • DataView
      • byteLength (Size)
      • byteOffset
      • buffer: ArrayBuffer
        • Contents: <>
        • byteLength:
• Register
  • registerNames: Array ที่ระบุชื่อของ Register (String Value) ที่จะใช้ทั้งหมด
    • Register Name ที่ใช้
      • ip: Instruction Pointer
      • acc: Accumulator
      • r1
      • r2
      • r3
      • r4
      • r5
      • r6
      • r7
      • r8
    • Register Map: Object ที่เก็บชื่อของ Register แต่ละตัวที่ใช้เป็น Key และเก็บตำแหน่ง Byte เริ่มต้นของ Register แต่ละตัวเป็น Value
      • ip: Instruction Pointer ⇒ 0
      • acc: Accumulator ⇒ 2
      • r1 ⇒ 4
      • r2 ⇒ 6
      • r3 ⇒ 8
      • r4 ⇒ 10
      • r5 ⇒ 12
      • r6 ⇒ 14
      • r7 ⇒ 16
      • r8 ⇒ 18
  • 1 Hex ใช้ 4 Bits
  • 1 Byte ใช้ 8 Bits
  • แปลว่า 1 Byte ใช้ 2 Hex (1 Byte อยู่ในรูปของ 00 ซึ่งเป็น Slot ของเลขฐานสิบหก หรือ Hex)
  • Uint8: ใช้ 8 Bits (1 Byte)
  • Uint16: ใช้ 16 Bits (2 Byte)
  • ArrayBuffer ของ Register มีความยาวเป็น 2 เท่าของ register ทั้งหมดที่ใช้ (นับจากจำนวนของ registerNames)
  • setRegister(name, value): Set ค่า (value) ลง Register (name) โดยค่านั้นเป็นค่า 16 Bits (2 Byte)
  • getRegister(name): Get ค่ามาจากตำแหน่งของ Register (name) ที่กำหนด โดยค่านั้นเป็นค่า 16 Bits (2 Byte)
• CPU
  • กระบวนการของ CPU เป็น Cycle ตามกระบวนการดังนี้
    • Fetch
    • Decode
    • Execute
  • แต่ในบริบทของ Virtual Machine ที่เราจะสร้าง เราจะรวบ Cycle ให้เหลือแค่
    • Fetch
      • Fetch (8 Bits)
        • รับค่าจาก Register ในตำแหน่งของ Instruction Pointer (ip) เป็นค่า 16 Bits (2 Byte)
        • รับค่าจาก Memory ตามตำแหน่งตามค่าที่ได้มาจาก Instruction Pointer (ip) เป็นค่า 8 Bits (1 Byte) โดยค่านั้นจะเป็นตัวแทนของ Instruction ที่จะทำ
        • บวกค่า Instruction Pointer เดิมไป 1 (บวกไป 1 เพราะค่าใน Memory ใช้ไปแล้ว 1 Byte) แล้ว Set ค่าไปที่ Register ตรงตำแหน่งของ Instruction Pointer (ip)
      • Fetch16 (16 Bits)
        • รับค่าจาก Register ในตำแหน่งของ Instruction Pointer (ip) เป็นค่า 16 Bits (2 Byte)
        • รับค่าจาก Memory ตามตำแหน่งตามค่าที่ได้มาจาก Instruction Pointer (ip) เป็นค่า 16 Bits (2 Byte) โดยค่านั้นจะเป็นตัวแทนของ Instruction ที่จะทำ
        • บวกค่า Instruction Pointer เดิมไป 2 (บวกไป 2 เพราะค่าใน Memory ใช้ไปแล้ว 2 Bytes) แล้ว Set ค่าไปที่ Register ตรงตำแหน่งของ Instruction Pointer (ip)
    • Execute
      • รับค่า Instruction ที่ได้มาจาก Fetch แล้วมาทำ Instruction นั้นตามที่กำหนดไว้