0 引言

在進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)開發(fā)時(shí)，通常是在宿主機(jī)上通過(guò)交叉編譯方式生成目標(biāo)機(jī)平臺(tái)的二進(jìn)制代碼，然后將其寫入目標(biāo)機(jī)中運(yùn)行，這種開發(fā)方法的一個(gè)缺點(diǎn)是不易調(diào)試生成的目標(biāo)代碼邏輯，因此，目前許多交叉編譯工具都具有在宿主機(jī)上調(diào)試源代碼的功能。要讓目標(biāo)機(jī)平臺(tái)的二進(jìn)制代碼能夠在宿主機(jī)上運(yùn)行，必須提供一個(gè)虛擬的能夠執(zhí)行目標(biāo)機(jī)指令的系統(tǒng)。本文以80C51單片機(jī)為目標(biāo)機(jī)，基于X86平臺(tái)的PC機(jī)為宿主機(jī)，給出了一種在宿主機(jī)上構(gòu)造虛擬目標(biāo)機(jī)指令執(zhí)行系統(tǒng)的方法。

1 虛擬指令執(zhí)行系統(tǒng)簡(jiǎn)介

本文所述的80C51虛擬指令執(zhí)行系統(tǒng)是指用軟件來(lái)模擬80C51指令的執(zhí)行過(guò)程和執(zhí)行效果，它主要由虛擬指令執(zhí)行器和虛擬存儲(chǔ)器組成。虛擬指令執(zhí)行器是虛擬指令執(zhí)行系統(tǒng)的核心模塊，它將指令的執(zhí)行過(guò)程分為取指令、分析指令和執(zhí)行指令三個(gè)階段，模擬這三個(gè)階段的操作并虛擬出指令的執(zhí)行效果。虛擬存儲(chǔ)系統(tǒng)是虛擬指令執(zhí)行系統(tǒng)必不可少的模塊，它反映著虛擬指令執(zhí)行器執(zhí)行指令的效果，本文以80C51體系中存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)為依據(jù)，虛擬出存儲(chǔ)器空間和寄存器，并提供了虛擬指令執(zhí)行器訪問(wèn)虛擬存儲(chǔ)器的接口。

圖1是虛擬80C51指令執(zhí)行系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖，同時(shí)圖1也顯示了系統(tǒng)運(yùn)行的三個(gè)基本過(guò)程：

(1)加載二進(jìn)制文件到虛擬存儲(chǔ)器的ROM中
     (2)虛擬指令執(zhí)行器周期性地從虛擬存儲(chǔ)器的ROM中取指令、分析指令并且執(zhí)行指令
     (3)指令在執(zhí)行過(guò)程中通過(guò)讀寫虛擬存儲(chǔ)器中的內(nèi)存和寄存器來(lái)反映指令執(zhí)行效果

顯然，上述過(guò)程是圍繞著虛擬指令執(zhí)行器和虛擬存儲(chǔ)器進(jìn)行的。

2 虛擬存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

加載過(guò)程和虛擬指令執(zhí)行器都依賴于虛擬存儲(chǔ)器，因此先介紹虛擬存儲(chǔ)器的實(shí)現(xiàn)是必要的。從訪問(wèn)的角度分析，寄存器和存儲(chǔ)器具有同樣的屬性，可以使用類似的實(shí)現(xiàn)方法虛擬它們。本文虛擬存儲(chǔ)器的范圍包括虛擬的存儲(chǔ)空間和寄存器。

2.1 虛擬80C51存儲(chǔ)空間

80C51的存儲(chǔ)空間除了有ROM和RAM之分，還有片內(nèi)和片外之分。80C51指令在執(zhí)行的時(shí)候訪問(wèn)的數(shù)據(jù)可以存在于以下四種類型的存儲(chǔ)單元中：片內(nèi)ROM，片外ROM，片內(nèi)RAM，片外RAM，它們的地址空間見(jiàn)表1。

各個(gè)存儲(chǔ)空間的容量都較小，可以通過(guò)開辟相應(yīng)大小的不同數(shù)組來(lái)虛擬存儲(chǔ)空間：

虛擬存儲(chǔ)器除了要虛擬出存儲(chǔ)空間，還要提供訪問(wèn)的接口：讀存儲(chǔ)單元和寫存儲(chǔ)單元。在讀寫存儲(chǔ)單元時(shí)需要指出存儲(chǔ)單元的類型。

使用這兩個(gè)接口，虛擬指令執(zhí)行器在執(zhí)行指令時(shí)可以方便地訪問(wèn)虛擬存儲(chǔ)器。

2.2 虛擬80C51寄存器

80C51的寄存器可以分為三類：特殊寄存器(SFR)，工作寄存器(R0～R7)，程序計(jì)數(shù)器(PC)，虛擬系統(tǒng)對(duì)這三種寄存器有不同的虛擬方式和訪問(wèn)方式。

1)特殊寄存器的虛擬和訪問(wèn)

80C51的特殊寄存器的地址空間范圍是0x80～0xFF，每一個(gè)特殊寄存器在這個(gè)地址空間中有一個(gè)確定的地址，從虛擬角度可以認(rèn)為特殊寄存器和RAM具有類似的訪問(wèn)特點(diǎn)，因此可以使用虛擬存儲(chǔ)器的方法來(lái)虛擬特殊寄存器：

這樣，可以使用虛擬存儲(chǔ)器提供的讀寫接口來(lái)訪問(wèn)特殊寄存器。

2)工作寄存器的虛擬和訪問(wèn)

不同于特殊寄存器，工作寄存器R0～R7的地址在指令執(zhí)行過(guò)程是不確定的。它們的地址由特殊寄存器PSW中的RS1位和RS0位的值決定，其物理地址占用片內(nèi)RAM的地址空間，見(jiàn)表2。圖2給出了訪問(wèn)工作寄存器Rn的流程。

3)PC寄存器的虛擬和訪問(wèn)

80C51的程序計(jì)數(shù)器PC是一個(gè)16位寄存器，在指令執(zhí)行過(guò)程中被CPU改變。PC寄存器對(duì)用戶是透明的，也即PC寄存器沒(méi)有映射到存儲(chǔ)器的地址空間中，不能借助虛擬存儲(chǔ)器的讀寫接口來(lái)訪問(wèn)PC，需要單獨(dú)虛擬一個(gè)16位的PC寄存器，并且提供讀寫的接口：

3 虛擬指令執(zhí)行器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

一般地，CPU總是不停的取指令、分析指令、執(zhí)行指令，虛擬指令執(zhí)行器執(zhí)行同樣的過(guò)程，它以模擬上述三個(gè)階段的操作為核心，并模擬出80C51指令系統(tǒng)中每條指令的執(zhí)行效果。圖4給出了虛擬指令執(zhí)行器的總體設(shè)計(jì)。

可以看出，虛擬指令執(zhí)行器的工作流程分為三個(gè)階段：取指令階段、分析指令階段和執(zhí)行指令階段。

3.1 取指令階段

虛擬的指令執(zhí)行系統(tǒng)每一周期根據(jù)PC的值從虛擬的ROM中取將要執(zhí)行的指令。在虛擬指令執(zhí)行器執(zhí)行指令之前，必須將硬盤上的二進(jìn)制文件(hex文件格式)加載到虛擬的ROM中，作為指令執(zhí)行器的輸入。裝載的過(guò)程按照如下描述完成：解析二進(jìn)制文件的內(nèi)容，將指令存放在指定的ROM地址處。加載完成后還需要將PC寄存器的值設(shè)置為第一條要執(zhí)行的指令的地址。

虛擬的指令執(zhí)行系統(tǒng)每次取的指令長(zhǎng)度是不確定的。80C51的指令長(zhǎng)度不是固定的，分為單字節(jié)、雙字節(jié)和三字節(jié)指令三種，因此取一條指令時(shí)需要確定該條指令的長(zhǎng)度。通過(guò)分析80C51的指令表可以得到，任何一條指令第一個(gè)字節(jié)都是唯一的。利用這個(gè)特點(diǎn)，可以建一個(gè)該字節(jié)到指令長(zhǎng)度的映射表。取指令時(shí)，先從PC所指地址處取第一個(gè)字節(jié)，然后通過(guò)查詢映射表再取相應(yīng)的字節(jié)數(shù)。取指成功后需要更新PC值，使PC就指向下條指令的地址。

為了后續(xù)兩個(gè)階段的使用，需要將取到的指令存放在一個(gè)緩沖區(qū)中。80C51的最長(zhǎng)指令為3個(gè)字節(jié)，因此可以使用一個(gè)3個(gè)字節(jié)長(zhǎng)度的數(shù)組存放取到的指令，比如unsigned char inst，將取到的指令按順序填充到inst中。

3.2 分析指令階段

一條指令包括操作碼和操作數(shù)，操作碼決定該條指令對(duì)操作數(shù)執(zhí)行什么樣的動(dòng)作。分析指令階段需要從取到的指令中解析出操作碼和操作數(shù)。解析的過(guò)程為，假設(shè)指令已經(jīng)取到inst中，從虛擬指令執(zhí)行器的角度可以認(rèn)為指令的第一個(gè)字節(jié)為操作碼，即inst[0]，操作數(shù)分別存在inst[1]和inst[2]中，根據(jù)操作碼到指令長(zhǎng)度的映射表確定操作數(shù)的個(gè)數(shù)。

解析出指令碼和操作數(shù)后，就需要根據(jù)操作碼來(lái)調(diào)用該指令對(duì)應(yīng)的執(zhí)行函數(shù)。每條指令都有自己的執(zhí)行動(dòng)作，可以為每條指令設(shè)計(jì)一個(gè)執(zhí)行函數(shù)來(lái)模擬該指令的執(zhí)行動(dòng)作。指令操作碼和指令執(zhí)行函數(shù)也是一一對(duì)應(yīng)的，所以虛擬系統(tǒng)中會(huì)有指令操作碼到指令執(zhí)行函數(shù)的映射表，當(dāng)分析出指令的操作碼后，就能快速地調(diào)用該指令的執(zhí)行函數(shù)來(lái)模擬該指令的語(yǔ)義動(dòng)作。比如，取到的指令為e580，按照前面所述，0xe5為操作碼，存放在inst[0]中，0x80為操作數(shù)，存放在inst[1]中，通查指令表可知0xe5對(duì)應(yīng)的匯編指令為MOV A，direct，為這條指令設(shè)計(jì)一個(gè)執(zhí)行函數(shù)mov_a_direct0，虛擬的指令執(zhí)行系統(tǒng)在執(zhí)行指令e580時(shí)，實(shí)際上就是調(diào)用其執(zhí)行函數(shù)mov_a_direct 0。

3.3 執(zhí)行指令階段

指令的執(zhí)行動(dòng)作是通過(guò)調(diào)用指令的執(zhí)行函數(shù)來(lái)完成的。指令的執(zhí)行函數(shù)是對(duì)該條指令的實(shí)際執(zhí)行動(dòng)作的模擬，主要包括對(duì)寄存器、內(nèi)存的訪問(wèn)，以及對(duì)程序狀態(tài)字中標(biāo)志位的影響等。比如上面介紹的操作碼為0xe5的指令，該指令對(duì)應(yīng)的匯編指令為MOV A，direct，其意義為將direct中的內(nèi)存數(shù)存放在寄存器A中，并且改變PSW中的P標(biāo)志位，該指令的執(zhí)行函數(shù)mov_a_direct 0實(shí)際上就是對(duì)上面描述的實(shí)現(xiàn)。

80C51指令系統(tǒng)共有111條指令，虛擬指令執(zhí)行器為每條指令都設(shè)計(jì)一個(gè)類似的執(zhí)行函數(shù)。這些指令可以分為幾類：數(shù)據(jù)傳送指令、算術(shù)運(yùn)算指令、邏輯運(yùn)算和移位指令、控制轉(zhuǎn)移指令和位操作指令。在設(shè)計(jì)執(zhí)行函數(shù)時(shí)有一些需要注意的地方：算術(shù)運(yùn)算指令需要注意運(yùn)算對(duì)PSW的標(biāo)志位的影響，控制轉(zhuǎn)移指令需要精確改變PC寄存器的值等。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文詳細(xì)介紹了虛擬80C51指令執(zhí)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，文章給出的方法也適用于存儲(chǔ)空間和指令規(guī)模與80C51相似的單片機(jī)指令系統(tǒng)。虛擬指令執(zhí)行系統(tǒng)是虛擬目標(biāo)機(jī)其他功能的基礎(chǔ)，有廣泛的應(yīng)用，比如可以構(gòu)造出基于虛擬指令執(zhí)行系統(tǒng)的目標(biāo)機(jī)代碼調(diào)試器等。另外根據(jù)應(yīng)用需要，也可增加對(duì)80C51單片機(jī)的虛擬范圍，比如實(shí)現(xiàn)對(duì)中斷和I/O等的虛擬。

作者：張百成 信息產(chǎn)業(yè)部電子第六研究所   來(lái)源：《電子元器件應(yīng)用》2011年03期