从零开始设计一套指令集及其虚拟机
前言
在半年前，我萌生了创造一门独特的编程语言的想法。大约三个月前，脑中的这个想法逐渐变得清晰，我想实现一种可以不用键盘就能编写代码的语言。比较准确得说应该是一门图形化编程语言，不完全是像蓝图脚本那样，而是结合代码和图形的优点。
设想中它是一门高级解释型语言，所以我先命名它为“H”语言，意为高级。但我能力和水平非常有效，在实现的准备过程中就被绊倒了，于是我开始考虑将它实现为静态编译语言，先编译为中间代码，再解释执行。
这篇文章介绍的就是这当中的中间代码，因为它层次比”H”低，所以我命名为“L”语言。
这段时间我暂时放下之前GBA上的光线追踪，开始设计L语言的指令集和虚拟机。现在虚拟机可以高效的运行指令字节码，并调用系统函数，实现输入输出等功能。这篇文章记录了目前的进度。
指令设计的基础应该是虚拟机的架构，因此我先简要说明虚拟机特点，然后是指令集特点，最后详细介绍指令设计过程。
虚拟机
通过中间代码在不同架构，不同平台的系统上运行程序的方法大概叫虚拟机技术，例如JAVA和.NET都是运行各自指令集的虚拟机。
我的虚拟机设计的目标是为了方便运行我的H语言，我将他称为LVM，意为低级虚拟机（和LLVM名字很像 : D 我也是事后发现的）。
学过计算机架构的也许知道基于栈的虚拟机和基于寄存器的虚拟机，我的LVM是基于寄存器的，但有它自己的特点。
在现代计算机中，函数调用需要保存寄存器，移动寄存器和压栈出栈，会占用很多时间。这是因为寄存器的数量有效，而在虚拟机的设计中，完全可以不考虑寄存器的限制，例如可以给每个函数调用分配一组内存模拟的虚拟寄存器，这样就不必保存和恢复现场。
我则采用了一种寄存器指针的方法，寄存器指针指示寄存器窗口的位置，调用函数会移动窗口位置，且原窗口和新窗口位置存在重叠，用于传递参数。
结合此图，函数调用的过程为
- 调用者把参数放到寄存器窗口的末尾。
- 调用者将窗口后移，使原来的末尾变成开头.
- 调用者把PC保存到窗口前之前。
- 调用函数（PC跳转）。
- 被调用函数执行完后，从窗口前读取PC，回到调用前位置。
- 最后将窗口移回原位。
通过这种方法既可以不用保存现场，也不用移动寄存器。在写这篇文章时，我才查到这种方法在我之前就已提出，名称是重叠寄存器窗口技术，用于精简指令集处理器中，其中的范例是SPARC。因此我的虚拟机也可称为基于重叠寄存器窗口技术的虚拟机。
截至目前为止，虚拟机的结构如下：
可以看到：
- 寄存器窗口有16个寄存器，而虚拟寄存器有一万多个。这就是软件虚拟的好处，是SPARC等硬件处理器不能做到的。
- 虽然现在留有SP寄存器，但实际上除了寄存器列，并没有栈，因此也没有栈指令，我想先探究依靠灵活的寄存器窗口和寄存器列能否替代栈。
- 指令译码后储存为VL字节码，加载到内存后由vcode指针连接到虚拟机。
- 没有使用标志位（或者叫程序状态字）
附带一提寄存器统一是32位或64位，目前按32位设计指令。
指令集
很随意的命名为VL指令集，代表变长低级指令集。此外编译器已经写好，可以将其对应的LASM汇编语言编译到VL字节码。
目前指令约80条，包含寄存器移动、内存读取储存、加减乘除、移位、位运算、跳转、分支、寄存器窗口操作和系统指令。
个人感觉VL指令集功能应该在精简和复杂指令集之间。
正如前面所说，指令是依附于机器的，所以指令的Call和Return的操作都比较特殊，还有特殊的寄存器窗口移动指令，但没有栈操作指令。
因为面向的是软件层面，且是实时解释执行的，这些指令的字节码都尽量比较规整，例如操作码是1字节的，两个寄存器各4bit拼一起也是1字节，尽量避免读取译码的额外操作。指令不是像大多精简指令集一样定长，而是以字节为单位，长度在1-6字节之间。这会导致指令执行增加一点变数，速度受到影响，但节约了大量的空间所以也不用心疼。
这是一些字节码的安排（靠右为低字节）：
设计指令集
指令集的组成和设计指令集的过程我放到下一篇文章中详细说明。
而下下篇文章，我会继续介绍LVM虚拟机的实现过程和优化心得。