vmio – virtual machine with input/output

vmio é uma implementação didática de uma pequena máquina virtual escrita em C. O projeto demonstra conceitos fundamentais de pilha, registradores e execução de instruções.

📁 Estrutura do Projeto

├── include             # Declaração
│   ├── core.h          # Fluxo central da máquina virtual
│   ├── registers.h     # Registradores, ponteiros básicos e seus índices
│   └── stack.h         # Implementação da pilha de controle (stack)
├── main.c
├── Makefile
├── README.md
└── src                 # Definição
│   ├── core.c          # Implementação de cada instrução existente na VM
│   ├── registers.c     
│   └── stack.c         # Funções de push e pop para a pilha (stack) estática

🎯 Objetivo

O objetivo da vmio é demonstrar de forma simples como funciona uma máquina virtual baseada em:

• stack (pilha),
• registradores,
• ciclo de execução (fetch → decode → execute),
• interpretação de instruções.

A VM é intencionalmente simples, ideal para estudo ou experimentação.

⚙️ Funcionamento Geral

A execução segue um loop:

1. A VM busca a instrução atual através do registrador ip (instruction pointer).
2. Decodifica e executa a instrução.
3. Incrementa ip e continua até encontrar a instrução EXT.

Registradores importantes:

• ip — aponta sempre para a próxima instrução no programa.
• sp — aponta para o topo da pilha. A pilha é utilizada para operações aritméticas e armazenamento temporário.

📚 Implementação da Stack

A stack suporta:

Função	Descrição
stack_init	Inicializa a pilha e ajusta sp = -1.
stack_push	Insere um valor no topo.
stack_pop	Remove e retorna o valor do topo.

Ela armazena inteiros e protege contra underflow e overflow.

🧠 Núcleo da VM

As instruções são interpretadas pela função eval(). O loop principal está em run_vm():

while (running) {
    eval(fetch(reg[ip]), &stack);
    reg[ip]++;
}

📌 Conjunto de Instruções

Instrução	Ação
PSH	empilha um valor imediato
POP	desempilha o topo
ADD	soma os dois valores do topo
EXT	encerra a execução

📝 Exemplo: Programa Interno da VM

A VM contém um pequeno programa embutido:

const int program[] = {
    PSH, 5,
    PSH, 6,
    ADD,
    EXT
};

Etapas da execução:

1. PSH 5
   1. IP aponta para PSH
   2. VM lê PSH
   3. Incrementa ip e lê o próximo valor: 5
   4. Executa stack_push(5)
   5. Pilha: [5]

data pushed: 5

2. PSH 6
   1. IP aponta para PSH
   2. VM empilha 6
   3. Pilha: [5, 6]

data pushed: 6

3. ADD
   1. VM executa stack_pop → obtém 6
   2. VM executa novamente → obtém 5
   3. Calcula 5 + 6 = 11
   4. Empilha o resultado
   5. Pilha: [11]

add: 11

4. EXT
   1. Instrui a VM a parar a execução
   2. Loop principal encerra

🛠️ Compilação

Compile o projeto:

make debug

Limpe arquivos gerados:

make clean

▶️ Execução

Após compilar:

./debug

Saída prevista:

data pushed: 5
data pushed: 6
add: 11