【探索】机器指令翻译成 JavaScript

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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:

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:

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:

甚至还有在线模拟器:

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。

posted @ 2016-07-05 19:56 EtherDream 阅读(...) 评论(...) 编辑 收藏