IT工程師數位筆記本

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前言

前些時候研究腳本混淆時，打算先學一些「程序流程」相關的概念。為了不因太枯燥而放棄，決定想一個有趣的案例，可以邊探索邊學。

于是想了一個話題：嘗試將機器指令 1:1 翻譯 成 JavaScript，這樣就能在瀏覽器中，直接運行等價的邏輯。

為了簡單起見，這里選擇古董級 CPU —— MOS 6502。

本系列陸續更新了 8 篇，前面幾篇只是理論分析：

• 跳轉處理

• 流程分割

• 動態跳轉

• 指令變化

• 深度優化

原本只打算遐想一下，分析下可行性而已。不過，后來發現實現也不難，于是又補了兩篇：

• 過渡語言

• 終極目標

6502

MOS 6502 是一款經典的 CPU，在上世紀 80 年代十分流行。

例如 Atari、Apple II，還有國內的文曲星，都配置了這個系列的 CPU。小時候常玩的 FC 紅白機，也是相同的指令集。

網上相關的文章也非常多，這里收集了一些：

• 6502 資源站

• 6502 指令集

• 6502 —— 偉大的心

• 6502 芯片視覺圖

甚至還有在線模擬器：

• 6502asm

• virtual 6502

• easy6502

事實上，模擬器的原理是很簡單的：讀取一條指令，做相應的操作；然后再讀取下一條指令。。。參照文檔實現即可。

do {
    opcode = memory[pc++]

    switch (opcode) {
        case 0xA9:        // LDA
            ...
        case 0x85:        // STA
            ...
        case 0xE6:        // INC
            ...
        ....
    }
} while (...)

模擬雖然簡單，但有個很大的缺點：效率低。模擬一個指令，需要很多額外操作 —— 那些原本是硬件的工作，現在要用軟件來完成，顯然會慢得多。

不過，我們的目標并非模擬，而是翻譯 —— 在程序運行前，把「虛擬指令」翻譯成相應的本地「原生指令」，這樣就能直接運行，無需模擬，效率自然大幅提升。

在瀏覽器層面，JavaScript 就是原生指令。那么，能否將 6502 翻譯成 JavaScript 呢？下面開始探索。。。

硬件實現

6502 CPU 有三個 8 位寄存器 A、X、Y，我們用 JS 變量來表示：

var A = 0, X = 0, Y = 0;

至于「狀態寄存器」SR，為了直觀起見，分別用單獨的 bool 變量表示每一位：

// SR: NV-BDIZC
// bit 76543210

var SR_N = false,
    SR_V = false,
    ...
    SR_C = false;

其他諸如「棧寄存器」、「指令計數器」，這里暫時先省略。

6502 的地址總線有 16 位，最多能訪問 64K 的空間。數據總線 8 位，因此用一個 Uint8Array 就能實現內存：

var MEM = new Uint8Array(65536);

這里假設把整個地址空間都用做 RAM，事實上屏幕、鍵盤等 IO 交互，還會占用一些地址空間。

嘗試翻譯

現在，嘗試翻譯第一條指令：

STA 100

STA 即 “Store A”，將 A 寫入存儲 —— 寫到第 100 號位置。對應的 JS 即：

MEM[100] = A;

很簡單吧。下面翻譯第二條指令：

LDA #123

LDA 即 “Load A”，給 A 賦值，# 表示立即數。因此，生成的 JS 的就是：

A = 123;
SR_Z = (123 == 0);
SR_N = (123 > 127);

稍了解匯編的都知道，修改寄存器的同時，還得更新狀態標志。SR_Z 表示結果是否為零；SR_N 表示最高位（符號位）是否為 1。

這時「翻譯」的優勢就體現出來了。因為 123 == 0 和 123 > 127 都是常量計算，所以預先就能得出結果：

A = 123;
SR_N = false;
SR_Z = false;

相比模擬，翻譯能減少運行時的計算量。如果有多個指令，效果則更明顯，例如：

LDX 10
INX

翻譯成如下 JS 代碼：

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);

這里雖然沒有預先計算，但不要忘了，JavaScript 最終還得交給瀏覽器解析。

如今的瀏覽器，本身就有很強的優化能力，腳本引擎發現 SR_Z 和 SR_N 重復賦值，并且中間沒有使用，于是就將之前的計算優化掉了。因此，最終效率會非常高。

真正困難

通過這幾個例子，感覺翻譯并不困難。事實上大多數 6502 指令，都可以生成對應的 JS 邏輯。有的很簡短，只有一兩行；有的較復雜，例如算術加減法。但不管怎樣，都是沒有障礙的。

但是，有一類指令很難翻譯，那就是「跳轉指令」。因為不同的層面，流程控制的能力是不一樣的。

在 JavaScript 中，流程控制只能以「語塊」為單位：

if (...) {
    block 1
} else {
    block 2
}

for (...) {
    break;
    continue;
}

我們最多只能退出語塊（break），或者重新進入語塊（continue），無法指定從某一行開始運行。

而在 C 語言中，流程控制可以細致到行：

a:  ...
    goto c;
b:  ...
    goto a;
c:  ...
    goto b;

機器指令更底層，因此更靈活。流程控制是以「字節」為單位的，可以跳到任意位置。甚至跳到一個指令的中間：

Address  Hexdump   Dissassembly
-------------------------------
$0600    a9 00     LDA #$00
$0602    4c 01 06  JMP $0601

于是將 LDA 的參數 0x00 當成另一個指令（BRK 指令）執行。

更有甚者，還可以跳到棧內存上，將動態數據當成指令執行。如此靈活的特性，又該如何實現？

下一篇，我們探討如何處理跳轉指令。