microprocessingunit.java

一个微处理器的模似器

/**
 * MicroProcessingUnit.java 2007/11/16 version1.0
 */
package com.vmpu.core;

import java.awt.event.ActionEvent;
import java.awt.event.ActionListener;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;

import javax.swing.Timer;

/**
 * 微处理器单元：包括一个时钟部件、取指部件、控制器部件和执行部件
 * 能处理的代码空间4KB，数据空间1KB
 * 
 * @author 周良
 * 
 */
public class MicroProcessingUnit {

	/**
	 * MPU 状态寄存器8位：不同取值表示的状态含义如下 0x01：初始化 0x02：取指 0x04：译码 0x08：执行 其他：异常
	 */
	private byte statusReg = MPU_UNDEFINED;
	/**
	 * 状态常量
	 */
	public static final byte MPU_INIT = 0x01;
	public static final byte MPU_INSTR_FETCH = 0x02;
	public static final byte MPU_DECODE = 0x04;
	public static final byte MPU_EXE = 0x08;
	public static final byte MPU_UNDEFINED = 0x00;

	public byte getStatusReg() {
		return statusReg;
	}

	public void setStatusReg(byte status) {
		this.statusReg = status;
	}

	/**
	 * 取指部件
	 */
	private InstructionFetcher instrFetcher = null;
	/**
	 * 控制器部件
	 */
	private Controller controller = null;
	/**
	 * 执行部件
	 */
	private Executor executor = null;

	public InstructionFetcher getInstrFetcher() {
		return instrFetcher;
	}

	public Controller getController() {
		return controller;
	}

	public Executor getExecutor() {
		return executor;
	}

	/**
	 * 时钟部件
	 */
	private Timer timer = null;
	/**
	 * 时钟周期：默认为1ms
	 */
	private int cycle = 1;

	/**
	 * 是否从控制台打印用于调试的信息：
	 * 主要是各种寄存器的值
	 */
	private boolean consoleDebugInfo = true;
	
	public boolean isConsoleDebugInfo() {
		return consoleDebugInfo;
	}

	public void setConsoleDebugInfo(boolean consoleDebugInfo) {
		this.consoleDebugInfo = consoleDebugInfo;
	}

	/**
	 * 构造函数
	 * 
	 * @param cycle
	 *            执行一条指令的时钟周期（ms），最小值为1ms
	 */
	public MicroProcessingUnit(int cycle) {
		this.instrFetcher = new InstructionFetcher(this);
		this.controller = new Controller(this);
		this.executor = new Executor(this);
		//初始化时钟
		if (cycle > 0)
			this.cycle = cycle;
		ActionListener taskPerformer = new ActionListener() {
			public void actionPerformed(ActionEvent e) {
				MicroProcessingUnit.this.step();
			//	MicroProcessingUnit.this.printDebugInfo();
			}
		};
		this.timer = new Timer(this.cycle, taskPerformer);
	}
	
	/**
	 * 打印VMPU的各种寄存器信息，供调试程序用
	 */
	public void printDebugInfo() {
		System.out.println("VMPU_statusReg:" + (int)this.statusReg);
		System.out.println("VMPU_pc:" + (int)this.instrFetcher.getPc());
		System.out.println("VMPU_instrReg:" + (int)this.instrFetcher.getInstrReg());
		System.out.println("VMPU_ctrlSgnlReg:" + (int)this.controller.getCtrlSgnlReg());
		System.out.println("VMPU_immReg1:" + (int)this.controller.getImmReg1());
		System.out.println("VMPU_immReg2:" + (int)this.controller.getImmReg2());
		for(int i = 0;i < this.executor.getRegs().length;i ++)
			System.out.println("VMPU_regs[" + i + "]:" + (int)this.executor.getRegs()[i]);
		System.out.println("VMPU_flagReg:" + (int)this.executor.getFlagReg());
		System.out.println("_______________________________________");
	}

	/**
	 * 读取可执行文件到MPU的缓存 
	 * rom格式： 
	 * 第1、2字节指出指令长度instrLen(字节) 
	 * 第3、4字节指出数据长度dataLen(字节)
	 * 5~5+instrLen-1为指令部分（不能超过4KB）
	 * 5+instrLen~5+instrLen+dataLen-1为数据部分（不能超过1KB）
	 * 
	 * @param rom
	 * @throws IOException
	 */
	public void load(String romFile) throws IOException {
		this.statusReg = MicroProcessingUnit.MPU_INIT;
		//各部件初始化
		this.instrFetcher.init();
		this.controller.init();
		this.executor.init();
		//读取rom
		InputStream in = new FileInputStream(romFile);
		int instrLen = in.read() << 8 | in.read();
		int dataLen = in.read() << 8 | in.read();
		// 读取指令
		for (int i = 0; i < instrLen; i++)
			this.instrFetcher.loadHalfInstr((byte) in.read(), i);
		// 读取数据
		for (int j = 0; j < dataLen; j++)
			this.executor.loadData((byte) in.read(), j);
		//初始取指
		this.instrFetcher.firstFetchInstr();
	}
	
	/**
	 * 执行,需先装载可执行文件，否则，执行过程是不可预料的
	 */
	public void start() {
		if(this.statusReg != MicroProcessingUnit.MPU_UNDEFINED)
			if(!this.timer.isRunning())
				this.timer.start();
	}

	/**
	 * 停止
	 */
	public void halt() {
		if(this.timer.isRunning()) {
			this.timer.stop();
			this.statusReg = MicroProcessingUnit.MPU_UNDEFINED;
		}
	}

	/**
	 * 暂停
	 */
	public void pause() {
		if(this.timer.isRunning())
			this.timer.stop();
	}

	/**
	 * 单步执行
	 */
	public void step() {
		this.controller.decode();
		this.executor.execute();
		this.instrFetcher.fetchInstr();
	}

	public int getCycle() {
		return cycle;
	}
	
	/**
	 * MPU是否在运行
	 * @return 在运行，返回True；否则为False
	 */
	public boolean isRunning() {
		return timer.isRunning();
	}
}