Virtual Machine

之前说到可以使用Assembly language来实现程序编写，把程序通过一个Assembler就可以得到计算机可以操作的二进制文件。

但是Assembly language依旧不适于编程，但怎么将高级编程语言转变为Assembly language呢，该课程的思路是类似JAVA，先将其转换为VM language，再将VM language转化为Assembly language。

所以首先需了解VM language。其共有4种指令：

下面将分别介绍。

1）Memory segment commands

在VM里很重要的一个概念就是Stack。其实就是把寄存器当作一个stack，第0个寄存器的值RAM[0]就是栈顶的位置。比如说RAM[0]=257，就表示当前的栈顶是第257个寄存器，通过修改RAM[0]的值，就可以修改栈顶的位置。然后就可以使用push/pop了。

该课程很鸡肋的地方，就是提了个指针的概念：定义SP = RAM[0]，*SP表示当前栈顶的值。要push一个值a，就令*SP = a;SP++; 要pop一个值，就令SP--;

好吧，问题来了，指针实际上既不是VM language，也不是Assembly language，只是该课程为了描述栈提出的一个概念，那具体怎么和这两者联系起来呢？举例如下，这里很容易模糊的地方是，在指针里，SP就表示栈顶地址，但在Assembly里SP表示第1个寄存器的地址！真是讨厌。

VM code：

push constant 17;

指针：

*SP = 17;SP++;

Assembly code：

@17

D = M

@SP

A = M

M = D

@SP

M = M+1

上面提到了 push constant i，对于constant，直接push就可以了，但对于别的类型数据local/static/this/that/temp/pointer，就要分类型存储了。

分类存储的思路就用到了类似汇编里段地址的概念，就是把内存分成一段段的。在数据里没有变量名的概念，但有变量名对应的地址表，这里就不考虑变量名。

在该课程中，具体设置如下：

默认SP的范围为256~2047；

对于constant类型数据，刚刚也说了，直接push到SP的范围内；

对于local类型数据，其base address存入第1个寄存器，即为RAM[1]，那么local对应的stack里的第i个值的地址就是RAM[1] + i，其值就是RAM[ RAM[1]+i ]。类似于SP指向栈顶地址，定义LCL指向local类型数据的base address。类似地，ARG-RAM[2]、THIS-RAM[3]、THAT-RAM[4]。对于这些数据，其base address的具体值暂无设置规则，只要知道其值就可以了；

对于static类型数据，在Assembly中会直接将其作为一个变量，变量的申明和使用同Hack programming，其范围为16~255；

temp的范围为5~12,13~15用于general purpose registers；另外还有pointer，只能取值0/1，指向this/that，还没弄明白有啥用。

2）Arithmetic/Logical commands

假设是add，就会pop出两个数a、b，然后执行a+b，再push回去。其他类似。

3）Branching commands

goto label：无条件jump

if-goto label：先判断再jump

4）Function commands

在高级编程语言里，经常会用到各种函数。为描述其实现细节，课程里举了个很好的例子。假设有个机器人正在扫地，你突然给它下个指令让它端杯水来，机器人会怎么做？正常的流程应该是把扫地的指令记住，再执行端水，再返回继续扫地。其实和执行函数是一个道理，为了记住当前状态，就会使用到栈。

先分别解释几个commands的意思：

function foo nVars：声明函数foo，local variables数目为nVars；

call foo nArgs：请求执行函数foo，实参数目为nArgs；因此执行这一command之前，要先push nArgs个参数

return：执行call操作后，原先的nArgs个参数被清空，且栈顶为返回值

看起来很神奇，怎么利用栈来实现执行函数foo呢？更具体的说，怎么把这个VM code 转化为 Assembly code呢？可以先看下面这个例子

首先，function foo nVars这一语句会被定义为LABEL，使用goto/if-goto就可以实现函数的调用。

但怎么保存当前的状态呢？保存LCL/ARG/THIS/THAT就好了；

怎么将foo需要的参数传过去呢？重新定义ARG就好了。注意之前已经保存了ARG，所以重新定义也不要紧；

然后为local variables push nVars个0。做完这些就可以使用使用goto进入foo函数内部啦。

进入函数内部执行操作后，到了该返回值的时候了。首先可以将要返回的值赋给ARG指向的寄存器，然后程序该走向何方呢？

说明应该要记住foo被调用的地方，这样才能回去。这里就又用到了LABEL，定义一个returnAddress的LABEL，并在调用函数前就push进去。关于这里为什么要使用临时变量retAdd，课程给出的答案是，“if the function has no arguments, the next command, which is *arg = pop(), will override the return address” 不太理解...

没有去编程实现，看后面需要吧。