r0vm.md

r0 虚拟机标准

本次大作业的编译目标是 r0 虚拟机 (r0vm) 的汇编 (s0)。其设计参考了 JVM、DotNet CLR 和上学期的 c0 虚拟机。

虚拟机简介

r0vm 是一个具有线性内存空间的栈式虚拟机。内存空间以 8 位（1 字节）为单位寻址，栈空间以 64 位（8 字节）为单位压栈弹栈。

TODO: 二进制格式

下面的结构体表示了 s0 的二进制文件结构。其中 [T] 表示类型 T 为元素的数组，在二进制文件中表示为 u16 大小的元素数量紧跟着所有元素的紧凑排列。

/// 整个 S0 二进制文件
struct S0 {
    /// 魔数
    magic: u32 = 0x72303b3e,
    /// 版本号，定为 1
    version: u32 = 0x00000001,
    /// 常量池
    globals: [GlobalDef],
    /// 函数池
    functions: [FunctionDef],
}

/// 单个常量
union GlobalDef {
    /// 64 位整数
    I32 {
        tag: u8 = 1,
        num: i64,
    },
    /// 64 位浮点数
    F64 {
        tag: u8 = 2,
        num: f64,
    },
    /// 二进制块（包括字符串）
    Blob {
        tag: u8 = 3,
        payload: [u8],
    },
}

struct FunctionDef {
    name: u16,
    param_slots: u16,
    return_slots: u16,
    max_stack: u16,
    body: [u8],
}

栈帧结构

| ...          |
|              | <- 栈顶 %sp
| 中间结果     | 
| 虚拟机参数   | <- 被调用者栈底 %bp
| 局部变量     | 
| 调用参数     |
|--------------| ===
| 返回值       | v 
| 中间结果     | 调用者栈
| ...          | ^
|--------------| ===

其中，调用参数和返回值由调用者压栈，调用参数由被调用者清理。

指令集

r0vm 的指令使用 8 位无符号整数标识，后面跟随可变长度的操作数。

下表展示了 r0vm 的所有指令。其中弹栈和压栈的格式为：栈变化范围[:变量]，数字按照栈底到栈顶编号。

指令	指令名	操作数	弹栈	压栈	介绍
0x00	nop	-	-	-	空指令
0x01	push	num:u64	-	1,2:num	将 num 压栈
0x02	pop	-	1		弹栈 1 个 slot
0x03	popn	num:u32	1-num	-	弹栈 num 个 slot
0x04	dup	-	1:num	1:num, 2:num	复制栈顶 slot
0x08	loca	n:u32	-	1:addr	加载第 n 个局部变量的地址
0x09	globa	n:u32	-	1:addr	加载第 n 个全局变量（常量？）的地址
0x10	load.8	-	1:addr	1:val	从 addr 加载 8 位 value 压栈
0x11	load.16	-	1:addr	1:val	从 addr 加载 16 位 value 压栈
0x12	load.32	-	1:addr	1:val	从 addr 加载 32 位 value 压栈
0x13	load.64	-	1:addr	1:val	从 addr 加载 64 位 value 压栈
0x14	store.8	-	1:addr, 2:val	-	把 val 截断到 8 位存入 addr
0x15	store.16	-	1:addr, 2:val	-	把 val 截断到 16 位存入 addr
0x16	store.32	-	1:addr, 2:val	-	把 val 截断到 32 位存入 addr
0x17	store.64	-	1:addr, 2:val	-	把 val 存入 addr
0x18	alloc	-	1:size	1:addr	在堆上分配 size 大小的内存
0x19	stackalloc	-	1:size	1-size:0	在栈上分配 size 大小的内存
0x20	add.i	-	1:lhs, 2:rhs	1:res	计算 res = lhs + rhs，参数为整数
0x21	sub.i	-	1:lhs, 2:rhs	1:res	计算 res = lhs - rhs，参数为整数
0x22	mul.i	-	1:lhs, 2:rhs	1:res	计算 res = lhs * rhs，参数为整数
0x23	div.i	-	1:lhs, 2:rhs	1:res	计算 res = lhs / rhs，参数为整数
0x24	add.f	-	1:lhs, 2:rhs	1:res	计算 res = lhs + rhs，参数为浮点数
0x25	sub.f	-	1:lhs, 2:rhs	1:res	计算 res = lhs - rhs，参数为浮点数
0x26	mul.f	-	1:lhs, 2:rhs	1:res	计算 res = lhs * rhs，参数为浮点数
0x27	div.f	-	1:lhs, 2:rhs	1:res	计算 res = lhs / rhs，参数为浮点数
0x28	adc.i	-	1:lhs, 2:rhs	1:res	(待确认)
0x29	shl	-	1:lhs, 2:rhs	1:res	计算 res = lhs << rhs
0x2a	shr	-	1:lhs, 2:rhs	1:res	计算 res = lhs >> rhs
0x2b	and	-	1:lhs, 2:rhs	1:res	计算 res = lhs & rhs
0x2c	or	-	1:lhs, 2:rhs	1:res	计算 res = lhs | rhs
0x2d	xor	-	1:lhs, 2:rhs	1:res	计算 res = lhs ^ rhs
0x2d	not	-	1:lhs	1:res	计算 res = !lhs
0x30	cmp.i	-	1:lhs, 2:rhs	1:res	比较整数 lhs 和 rhs 大小
0x31	cmp.f	-	1:lhs, 2:rhs	1:res	比较浮点数 lhs 和 rhs 大小
0x32	neg.i	-	1:lhs	1:res	对 lhs 取反
0x33	neg.f	-	1:lhs	1:res	对 lhs 取反
0x34	itof	-	1:lhs	1:res	把 lhs 从整数转换成浮点数
0x35	ftoi	-	1:lhs	1:res	把 lhs 从浮点数转换成整数
0x36	shrl	-	1:lhs, 2:rhs	1:res	计算 res = lhs >>> rhs
0x40	bra	-	1:addr		无条件跳转到地址 addr
0x41	br	off:i32			无条件跳转偏移 off
0x42	bz	off:i32		1:test	如果 test 是 0 则跳转偏移 off
0x43	bnz	off:i32		1:test	如果 test 非 0 则跳转偏移 off
0x44	bl	off:i32		1:test	如果 test 小于 0 则跳转偏移 off
0x45	bg	off:i32		1:test	如果 test 大于 0 则跳转偏移 off
0x46	blz	off:i32		1:test	如果 test 小于等于 0 则跳转偏移 off
0x47	bgz	off:i32		1:test	如果 test 大于等于 0 则跳转偏移 off
0x49	call
0x4a	ret
0x50	scan.i
0x51	scan.c
0x52	scan.f
0x54	print.i
0x55	print.c
0x56	print.f
0x57	print.s
0x58	println