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2016
09-13

【探索】机器指令翻译成 JavaScript – EtherDream –

前言
前些时候研究脚本混淆时,打算先学一些「程序流程」相关的概念。为了不因太枯燥而放弃,决定想一个有趣的案例,可以边探索边学。
于是想了一个话题:尝试将机器指令 1:1 翻译 成 JavaScript,这样就能在浏览器中,直接运行等价的逻辑。
为了简单起见,这里选择古董级 CPU —— MOS 6502。

本系列陆续更新了 8 篇,前面几篇只是理论分析:

跳转处理
流程分割
动态跳转
指令变化
深度优化

原本只打算遐想一下,分析下可行性而已。不过,后来发现实现也不难,于是又补了两篇:

过渡语言
终极目标

6502
MOS 6502 是一款经典的 CPU,在上世纪 80 年代十分流行。

例如 Atari、Apple II,还有国内的文曲星,都配置了这个系列的 CPU。小时候常玩的 FC 红白机,也是相同的指令集。
网上相关的文章也非常多,这里收集了一些:

6502 资源站
6502 指令集
6502 —— 伟大的心
6502 芯片视觉图

甚至还有在线模拟器:

6502asm
virtual 6502
easy6502

事实上,模拟器的原理是很简单的:读取一条指令,做相应的操作;然后再读取下一条指令。。。参照文档实现即可。
do {
opcode = memory[pc++]

switch (opcode) {
case 0xA9: // LDA

case 0x85: // STA

case 0xE6: // INC

….
}
} while (…)
模拟虽然简单,但有个很大的缺点:效率低。模拟一个指令,需要很多额外操作 —— 那些原本是硬件的工作,现在要用软件来完成,显然会慢得多。
不过,我们的目标并非模拟,而是翻译 —— 在程序运行前,把「虚拟指令」翻译成相应的本地「原生指令」,这样就能直接运行,无需模拟,效率自然大幅提升。
在浏览器层面,JavaScript 就是原生指令。那么,能否将 6502 翻译成 JavaScript 呢?下面开始探索。。。
硬件实现
6502 CPU 有三个 8 位寄存器 A、X、Y,我们用 JS 变量来表示:
var A = 0, X = 0, Y = 0;
至于「状态寄存器」SR,为了直观起见,分别用单独的 bool 变量表示每一位:
// SR: NV-BDIZC
// bit 76543210

var SR_N = false,
SR_V = false,

SR_C = false;
其他诸如「栈寄存器」、「指令计数器」,这里暂时先省略。
6502 的地址总线有 16 位,最多能访问 64K 的空间。数据总线 8 位,因此用一个 Uint8Array 就能实现内存:
var MEM = new Uint8Array(65536);
这里假设把整个地址空间都用做 RAM,事实上屏幕、键盘等 IO 交互,还会占用一些地址空间。
尝试翻译
现在,尝试翻译第一条指令:
STA 100
STA 即 “Store A”,将 A 写入存储 —— 写到第 100 号位置。对应的 JS 即:
MEM[100] = A;
很简单吧。下面翻译第二条指令:
LDA #123
LDA 即 “Load A”,给 A 赋值,# 表示立即数。因此,生成的 JS 的就是:
A = 123;
SR_Z = (123 == 0);
SR_N = (123 > 127);
稍了解汇编的都知道,修改寄存器的同时,还得更新状态标志。SR_Z 表示结果是否为零;SR_N 表示最高位(符号位)是否为 1。
这时「翻译」的优势就体现出来了。因为 123 == 0 和 123 > 127 都是常量计算,所以预先就能得出结果:
A = 123;
SR_N = false;
SR_Z = false;
相比模拟,翻译能减少运行时的计算量。如果有多个指令,效果则更明显,例如:
LDX 10
INX
翻译成如下 JS 代码:
X = MEM[10]; // LDX 10
SR_Z = (X == 0);
SR_N = (X > 127);

X = (X + 1) & 0xff; // INX (X 自增)
SR_Z = (X == 0);
SR_N = (X > 127);
这里虽然没有预先计算,但不要忘了,JavaScript 最终还得交给浏览器解析。
如今的浏览器,本身就有很强的优化能力,脚本引擎发现 SR_Z 和 SR_N 重复赋值,并且中间没有使用,于是就将之前的计算优化掉了。因此,最终效率会非常高。
真正困难
通过这几个例子,感觉翻译并不困难。事实上大多数 6502 指令,都可以生成对应的 JS 逻辑。有的很简短,只有一两行;有的较复杂,例如算术加减法。但不管怎样,都是没有障碍的。
但是,有一类指令很难翻译,那就是「跳转指令」。因为不同的层面,流程控制的能力是不一样的。
在 JavaScript 中,流程控制只能以「语块」为单位:
if (…) {
block 1
} else {
block 2
}

for (…) {
break;
continue;
}
我们最多只能退出语块(break),或者重新进入语块(continue),无法指定从某一行开始运行。
而在 C 语言中,流程控制可以细致到行:
a: …
goto c;
b: …
goto a;
c: …
goto b;
机器指令更底层,因此更灵活。流程控制是以「字节」为单位的,可以跳到任意位置。甚至跳到一个指令的中间:
Address Hexdump Dissassembly
——————————-
$0600 a9 00 LDA #$00
$0602 4c 01 06 JMP $0601
于是将 LDA 的参数 0x00 当成另一个指令(BRK 指令)执行。
更有甚者,还可以跳到栈内存上,将动态数据当成指令执行。如此灵活的特性,又该如何实现?
下一篇,我们探讨如何处理跳转指令。

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作者:
这个作者貌似有点懒,什么都没有留下。

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