详细实验地址：https://justinmeiners.github.io/lc3-vm/index.html#1:12
本质上是在用C语言描述16位机器的操作过程，因此可以以此为一个架接运行一个16位程序，因此成为虚拟机（Virtual Machine）；
前置要求：C语言（写出虚拟机的语言），位运算，汇编代码的运行模式（虚拟机的工作方式，不懂汇编代码的意思也没关系），丁点API知识（键盘传输和屏幕显示，以及内存收取等），LC-3指令集（模拟指令OP）；
指令集地址：https://justinmeiners.github.io/lc3-vm/supplies/lc3-isa.pdf
思路：
1. 读取文件
既然要读取其他程序和文件，那需要构造一个内存池容纳16位的程序，总大小也就是二的十六次方；
代码1-1：
1 | /* 65536 locations */ |
文件读入主要代码1-2：
1 | if (argc < 2) |
补充说明：argc 和 argv 是 main 函数参数，第一个代表main参数个数，第二个代表为地址的参数；
作用：如果没有输入main函数的参数，第一个判断就会提示用法为： ./main [image-file1] ；如果输入[image-file1]这个参数，那么就会将其读入for循环中，用 read_image() 函数计算参数并判断，若返回值是0，就会说：装载映像失败；
这里显示出一个函数叫 read_image() ，下面说说它的作用：
代码1-3：
1 | void read_image_file(FILE* file) |
这段代码中有两个函数，最后一个就是1-2中提到的，他的作用就是判断输入的参数地址是否为正确文件地址；如果不是就返回1，进而让1-2的判断输出错误并中断程序；如果是就执行 read_image_file() 函数；
read_image_file() 函数的作用便是将读取的程序内存装入之前设定好的memory数组中；首先计算的起始地址：origin，使用fread() C原装函数，读取起始地址；之后计算最大可容纳地址，并用p指针标记，最后使用循环不断缩小范围；
至于为什么要使用swap16()函数呢？因为LC-3程序是大端序排列，一般电脑用的都是小端序，所以要交换高低8位；
代码1-4：
1 | uint16_t swap16(uint16_t x) |
2. 内存访问
某些特殊寄存器无法从普通寄存器表中访问。相反，在内存中为它们保留一个特殊地址。要读取和写入这些寄存器，只需读取和写入它们的内存位置即可。这些称为内存映射寄存器。它们通常用于与特殊硬件设备进行交互（如键盘）；
LC-3 具有两个需要实现的内存映射寄存器。它们是键盘状态寄存器 （） 和键盘数据寄存器 （）。指示是否已按下某个键，并标识按下了哪个键；
代码2-1：
1 | enum //Memory Mapped Registers |
上面是模拟LC-3 的两个内存寄存器；第一个为状态管理，第二个是数据管理；
代码2-2：
1 | uint16_t check_key() |
这里给出三个函数；第一个是设置windows终端输入的代码（调用API）；第二个是写入内存的代码；第三个是读入内存的代码；
3. 模拟寄存器
既然要模拟汇编代码的运行模式，那就少不掉寄存器；在汇编代码中，寄存器就相当于C的变量，保存数据用；
LC-3中，一共只有10个寄存器，8个通用，1个指向即将执行的代码的寄存器(PC)，1个条件控制寄存器；
代码3-1：
1 | enum //Registers |
这里多设置了一个，R_COUNT不是寄存器，只是计数用的，因为是从0开始数的；
之后用这个来控制寄存器：
代码3-2：
1 | uint16_t reg[R_COUNT]; //Register Storage |
而控制寄存器需要特别加一个枚举：
代码3-3：
1 | enum //condition flags |
结果为正数则是P，为0则是Z，为负数则是N；它们的计算结果分别是：1，2，4；用到它们的时候，这些数字就代表它们的意义；而实际上是用移位来模拟这些条件位在寄存器中的形式；
4. 模拟指令
这里就是LC-3需要用到的指令，于是模拟出所有会用到的：
代码4-1：
1 | enum |
它们实现机器所需要的运算；
而LC-3的运算中，因为是16位，所以这些指令会放在最高的4位判断，剩下的位数就会放参数一类的东西，每个运算的参数需求位都不同，详细请看LC-3指令集；指令集中会要求使用的参数需要扩展为16位运算；所以需要接下来的函数：
代码4-2：
1 | uint16_t sign_extend(uint16_t x, int bit_count) |
第一个函数的作用便是 带符号扩展 位数；第二个函数的作用便是每次运算结束后，调整条件控制寄存器中的三个值；
5. 模拟执行过程
这是逆向题中的核心思想，便是C语言如何执行虚拟机模式的，如何找到flag的指令生成顺序；
以下是我们需要编写的过程：
- 从寄存器地址处的内存中加载一条指令。
PC - 递增寄存器。
PC - 查看操作码以确定它应该执行哪种类型的指令。
- 使用指令中的参数执行指令。
- 返回步骤 1。
这样一来，就能模拟出虚拟机的内核了；
代码5：
1 | int main(int argc, const char* argv[]) |
初始化条件控制寄存器后，从0x3000的地址出发，并进入运行状态（ while(1) ），instr便是每次会执行的PC所指的指令内容；OP即为操作指令，因为总共16位的寄存器最高4位都是操作指令，所以只需要将instr右移12位就能得到OP；
之后根据switch选择OP，执行相应的指令；每执行完一条便循环回去，于是PC+1，开始执行下一条；
6. C语言模拟指令清单
核心内容，需要结合指令集理解怎么实现的；
代码6-1：和的实现
1 | { |
代码6-2：按位和
1 | { |
代码6-3：按位非
1 | { |
代码6-4：分支
1 | { |
代码6-5：跳转
1 | { |
代码6-6：寄存器跳转
1 | { |
代码6-7：加载
1 | { |
代码6-8：简介加载的实现
1 | { |
代码6-9：加载寄存器
1 | { |
代码6-10：加载有效地址
1 | { |
代码6-11：存储
1 | { |
代码6-12：间接存储
1 | { |
代码6-13：寄存器存储
1 | { |
LC-3 提供了一些预定义的例程，用于执行常见任务和与 I/O 设备交互。例如，有一些例程用于从键盘获取输入以及用于向控制台显示字符串。这些称为trap routines，您可以将其视为LC-3的操作系统或API。每个trap routines都分配有一个trap code来标识它（类似于操作码）。要执行一个，请使用所需routine的code调用该指令；
枚举所有trap代码6-14：
1 | enum |
为每个trap选择代码6-15：
1 | switch (instr & 0xFF) |
trap指令清单：
代码6-16：输入字符
1 | { |
代码6-17：输出字符
1 | { |
代码6-18：输出字符
1 | { |
代码6-19：准备输入字符
1 | { |
代码6-20：输出字符串
1 | { |
代码6-21：终止程序
1 | { |
7. 头部添加以及windows加入API
加入的头部：
代码7-1：
1 |
|
加入API：
代码7-2：
1 | DWORD fdwMode, fdwOldMode; |
代码7-3：初始化
1 | signal(SIGINT, handle_interrupt); |
代码7-4：释放
1 | restore_input_buffering(); |
之后按顺序组装：
1 | 7-1 |
之后就可以得到一台16位的虚拟机；
总结
过了一遍VM实验过后对虚拟机有了一定理解，并且对之前所见的VM逆向题有了解题的思路，以及了解了LC-3指令集，和些许API函数的作用，由此更加理解一个源代码如何与其他文件产生共鸣；可以类比shell与程序之间的关系，更好地理解shell的作用和本质；
