Write your Own Virtual Machine

LC-3는 교육용으로 설계된 가상 컴퓨터 아키텍처로, 컴퓨터 구조와 어셈블리 언어를 학습하는 데 널리 사용된다. Justin Meiners와 Ryan Pendleton의 튜토리얼 “Write your Own Virtual Machine"은 LC-3의 가상 머신(VM)을 직접 구현하는 과정을 상세히 안내한다.

가상 머신이란 무엇인가?

가상 머신(VM)은 실제 컴퓨터처럼 동작하는 프로그램이다. CPU와 메모리, 입출력 장치 등의 하드웨어를 소프트웨어적으로 시뮬레이션하여, 어셈블리 언어로 작성된 프로그램을 실행할 수 있게 한다. 이러한 VM은 다양한 하드웨어 환경에서 동일한 프로그램을 실행하거나, 보안된 환경에서 코드를 실행하는 데 유용하다.

LC-3 아키텍처

LC-3는 16비트 명령어와 65,536개의 메모리 위치를 가지며, 10개의 16비트 레지스터를 포함한다. 이러한 단순화된 구조 덕분에 컴퓨터의 기본적인 동작 원리를 이해하는 데 적합하다. 튜토리얼에서는 이러한 하드웨어 구성 요소를 C 언어로 구현하는 방법을 단계별로 설명한다.

어셈블리 예제 및 프로그램 실행

튜토리얼은 LC-3 어셈블리 프로그램의 예제를 통해 명령어의 구조와 동작 방식을 설명한다. 또한, 프로그램 카운터(PC)를 이용한 명령어의 페치(fetch), 디코드(decode), 실행(execute) 과정을 상세히 다룬다.

명령어 구현 및 트랩 루틴

LC-3의 각 명령어(OPCODE)를 C 언어로 구현하는 방법을 다루며, 특히 산술 연산, 메모리 접근, 제어 흐름 명령어 등을 상세히 설명한다. 또한, 입출력 처리를 위한 트랩 루틴(TRAP routine)의 구현 방법도 안내한다.

프로그램 로딩 및 실행

어셈블리로 작성된 프로그램을 바이너리 형태로 로드하고, 이를 VM에서 실행하는 방법을 다룬다. 메모리 맵핑, 엔디언 변환 등 실제 시스템에서 고려해야 할 사항들도 함께 설명한다.

C++을 활용한 대안적 기법

튜토리얼의 마지막 부분에서는 C++의 제네릭 프로그래밍을 활용하여 VM을 구현하는 대안적인 방법을 소개한다. 이를 통해 코드의 중복을 줄이고, 유지 보수성을 향상시키는 방법을 제시한다.

결론

이 튜토리얼은 약 250줄의 C 코드로 간단한 LC-3 가상 머신을 구현하는 과정을 상세히 안내하며, 컴퓨터의 내부 동작 원리와 프로그래밍 언어의 기초를 이해하는 데 큰 도움이 된다. 더 자세한 내용과 소스 코드는 GitHub 저장소에서 확인할 수 있다.