級別: 初級
陳渝
(yuchen@tsinghua.edu.cn)清華大學(xué)
2004 年 10 月 01 日
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前兩篇文章分別介紹了 SkyEye 項目及其安裝，下面的幾篇文章將對其設(shè)計實現(xiàn)展開討論。
一． SkyEye的總體結(jié)構(gòu)
SkyEye基于GDB/ARMulator(目前由David McCullough 維護)，并進行了全面的改變和擴展。SkyEye建立在GNU GDB的底層，可以模仿多種完整的嵌入式計算機系統(tǒng)，目前模擬的硬件包括CPU、內(nèi)存、I/O寄存器、時鐘、UART、網(wǎng)絡(luò)芯片、MMU、CACHE，將來還會模擬 LCD、USB等各種硬件。在SkyEye上運行的操作系統(tǒng)和各種系統(tǒng)軟件"意識"不到它們是在一個虛擬的計算機系統(tǒng)上運行。
SkyEye從總體上分為四個層次：
- 用戶接口模塊：包括命令行用戶界面和圖形用戶界面，完成處理用戶的輸入命令，并把相關(guān)調(diào)試數(shù)據(jù)輸出給用戶的任務(wù)。這一部分基本上直接利用了GDB的用戶接口模塊，并在此基礎(chǔ)上有一定的擴充。
- 符號處理模塊：主要處理執(zhí)行文件的頭信息，解釋執(zhí)行文件中內(nèi)嵌的debuger調(diào)試信息，對符號表的管理，對源代碼表達式的解析，定位源代碼中的語句位置和機器碼的位置關(guān)系等。這一部分也是直接利用了GDB的符號處理模塊，也正是有了這個模塊的支持，SkyEye可以支持源碼級調(diào)試。
- 目標控制模塊：主要完成執(zhí)行控制（如中斷程序的執(zhí)行，設(shè)置中斷條件等），程序棧結(jié)構(gòu)分析，對具體目標硬件的控制（如本地調(diào)試、遠程調(diào)試和模擬調(diào)試的控制）。這一部分完成對SkyEye上運行的軟件的控制，提供了多種調(diào)試手段。
- 目標模擬模塊：這一部分是SkyEye的核心。它的功能是模仿計算機系統(tǒng)中的主要硬件（包括CPU、內(nèi)存和各種硬件外設(shè)等）的執(zhí)行，對執(zhí)行文件的機器指令進行解釋，并模擬執(zhí)行每一條機器指令，產(chǎn)生相應(yīng)的硬件響應(yīng)等。
二． SkyEye目標模擬模塊功能劃分
SkyEye目標模擬模塊模擬的硬件邏輯結(jié)構(gòu)圖如圖 0 1所示。SkyEye目標模擬模塊從功能上可分為如下幾大模塊：
- 配置選項解析和初始化模塊：在模擬硬件開始運行前，根據(jù)配置文件的選項，控制對模擬硬件的配置和初始化。相關(guān)文件包括：
- arminit.c：控制各種模擬硬件的初始化
- skyeye_config.[ch]：解析配置文件的選項行
- skyeye_options.c：根據(jù)各種硬件的選項，完成各種配置
- 處理器模擬宏模塊：主要完成與處理器體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的模擬，它可細分為：CPU指令模擬執(zhí)行模塊、MMU/CACHE模擬模塊、CoProcessor(又稱協(xié)處理器)模擬模塊。
- CPU指令模擬執(zhí)行模塊：其主要任務(wù)是：當模擬硬件開始運行，完成指令讀取，指令譯碼，指令執(zhí)行的工作；如果CPU狀態(tài)發(fā)生了改變，調(diào)整指令和各種寄存器值；在指令執(zhí)行前，調(diào)用開發(fā)板IO模擬模塊的io_do_cycle驅(qū)動模擬各種外設(shè)的行為。主要的文件包括：
- armemu.[ch]：模擬CPU的3級流水線，并具體執(zhí)行各種指令
- MMU/CACHE模擬模塊：本模塊分為兩部分：與具體CPU類型無關(guān)的MMU/CACHE模擬子模塊和與具體CPU類型相關(guān)的模擬子模塊。主要的任務(wù)是：根據(jù)配置文件進行初始化；進行MMU/CACHE模擬；執(zhí)行與MMU/CACHE相關(guān)的指令。如果CPU指令模擬模塊執(zhí)行讀寫存儲器的操作指令，則轉(zhuǎn)到MMU/CACHE模擬模塊。如果模擬的CPU類型不支持MMU(如ARM7TDMI)，則SkyEye會根據(jù)將訪問的地址，直接轉(zhuǎn)到MEMORY模擬模塊或開發(fā)板IO模擬模塊；否則轉(zhuǎn)到具體CPU類型相關(guān)的模擬子模塊進行MMU/CACHE模擬。主要的文件包括兩部分：
- 與具體CPU類型無關(guān)的MMU/CACHE模擬子模塊：
- armvirt.c、armmmu.c、mmu/*.[ch]
- 與具體CPU類型相關(guān)的MMU/CACHE模擬子模塊：
- sa_mmu.[ch]：模擬strongarm的MMU/CACHE
- arm7100_mmu.[ch]：模擬arm7[12]0T的MMU/CACHE
- xscale_copro.c：模擬xscale的MMU/CACHE
- arm920t_mmu.[ch]：模擬arm920t的MMU/CACHE
- CoProcessor(又稱協(xié)處理器)模擬模塊：其主要任務(wù)是：完成各種協(xié)處理器的初始化；執(zhí)行各種協(xié)處理器的指令。實際上MMU/CACHE模擬模塊的一部分工作是模擬ARM的第15號協(xié)處理器，它的主要功能是配置MMU/CACHE等。主要的文件包括：
- armcopro.c：根據(jù)配置信息，完成對ARM協(xié)處理器的初始化配置
- xscale_copro.c：模擬xscale的協(xié)處理器cp13、cp14、cp15
- sa_mmu.[ch]、arm7100_mmu.[ch]：模擬strongarm、ep7312的協(xié)處理器cp15
- arm920t_mmu.[ch]：模擬arm920t的協(xié)處理器cp13、cp14、cp15
- IO模擬宏模塊：本模塊包含各種邏輯行為各異的外設(shè)模擬，主要包括系統(tǒng)IO模擬模塊、網(wǎng)絡(luò)芯片模擬模塊、LCD模擬模塊等。
- 系統(tǒng)IO模擬模塊：本模塊的主要任務(wù)包括：根據(jù)配置文件進行IO和外設(shè)初始化；完成各種外部IO設(shè)備的模擬(如時鐘計數(shù)器累加、產(chǎn)生中斷、LCD顯示等)；進行各種特定CPU和外設(shè)的IO寄存器讀寫的模擬。本模塊與各種具體的開發(fā)板和CPU有很緊密的聯(lián)系，主要的文件包括：
- armio.[ch]：建立在各個特定模擬子模塊上的抽象層模塊
- skyeye_mach_at91.c：模擬Atmel AT91X40開發(fā)板
- skyeye_mach_ep7312.c：模擬cirrus ep7312開發(fā)板
- skyeye_mach_pxa.c：模擬intel xscale lubbock開發(fā)板
- skyeye_mach_s3c4510b.c：模擬基于samsung s3c4510b的開發(fā)板
- skyeye_mach_s3c44b0.c：模擬基于samsung s3c44b0的開發(fā)板
- skyeye_mach_sa.c：模擬基于intel strongam的adsbitsy開發(fā)板
- skyeye_mach_lpc.c：模擬基于philip lpc2249的開發(fā)板
- skyeye_mach_sharp.c：模擬基于sharp lh7a400的開發(fā)板
- skyeye_mach_at91rm92.c：模擬基于atmel at91rm9200的開發(fā)板
- skyeye_mach_cs89712.c：模擬基于cs89712的開發(fā)板
- 網(wǎng)絡(luò)芯片模擬模塊：本模塊主要完成了對8019AS網(wǎng)絡(luò)芯片的模擬工作，主要任務(wù)包括：模擬8019AS的控制邏輯、8019AS與具體開發(fā)板IO模擬模塊的接口、虛擬網(wǎng)絡(luò)輸入輸出接口處理。主要的文件包括：
- skyeye-ne2k.[ch]：8019AS的硬件邏輯模擬
- skyeye_mach_at91.c：部分內(nèi)容完成接收虛擬網(wǎng)絡(luò)輸入處理模擬
- skyeye_net_tuntap.c：配置tuntap虛擬網(wǎng)絡(luò)的接口
- skyeye_net_vnet.c：配置vnet虛擬網(wǎng)絡(luò)的接口
- vnet.c、if_vnet.h：獨立存在的軟件包，vnet虛擬網(wǎng)絡(luò)的具體實現(xiàn)
- LCD/TouchScreen模擬模塊：本模塊主要完成LCD/TouchScreen控制邏輯的模擬，是目前唯一需要GUI支持的模塊，它的主要任務(wù)是：配置LCD/TouchScreen硬件模擬、模擬LCD/TouchScreen控制邏輯。有關(guān)LCD/TouchScreen模擬相關(guān)的文件包括：
- skyeye_lcd.[ch]： LCD/TouchScreen配置和LCD/TouchScreen模擬的通用控制邏輯
- skyeye_mach_*.c：與開發(fā)板相關(guān)LCD/TouchScreen的控制邏輯和中斷處理，目前支持ep7312和pxa255的skyeye模擬。
- MEMORY模擬模塊：本模塊與具體的CPU和開發(fā)板無關(guān)，它的主要任務(wù)包括：根據(jù)配置文件進行內(nèi)存初始化，并加載binary image文件；進行RAM/ROM讀寫的模擬。主要的文件包括：
- armmem.[ch]：主要完成RAM/ROM讀寫模擬
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三． SkyEye關(guān)鍵數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
SkyEye目標模擬模塊中，各種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)很多，用于模擬硬件總體機構(gòu)定義的主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有skyeye_config_t和ARMul_State。把握這兩個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，是理解整個skyeye模擬的硬件體系結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵，在這兩個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上進行進一步細化分析，則可充分了解skyeye的硬件體系結(jié)構(gòu)細節(jié)。
1. skyeye_config數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
skyeye_config_t結(jié)構(gòu)描述了SkyEye模擬的整個硬件的靜態(tài)配置，它的具體內(nèi)容如下：
typedef struct {
cpu_config_t *cpu;
machine_config_t *mach;
mem_config_t mem;
net_config_t net[NET_MAXNICNUM_PER_HOST];
uart_config_t uart;
log_config_t log;
ARMword start_address;
ARMword no_lcd;
char config_file[MAX_FILE_NAME];
} skyeye_config_t;
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skyeye_config_t結(jié)構(gòu)包含了CPU核心配置信息－cpu、開發(fā)板配置信息－mach、memory map 配置信息-mem、網(wǎng)絡(luò)芯片和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境配置信息－net、面向主機的輸入輸出配置信息－uart、測試記錄輸出配置信息－log、模擬執(zhí)行起始地址配置信息－start_address、是否有LCD－no_lcd和記錄文件名信息－config_file。這里面與模擬硬件緊密相關(guān)的是CPU核心配置信息、開發(fā)板配置信息、memory map 配置信息、網(wǎng)絡(luò)芯片和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、LCD配置信息。
2. cpu_config_t數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
描述CPU核心的結(jié)構(gòu)定義在cpu_config_t數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，具體內(nèi)容如下：
typedef struct {
const char *cpu_arch_name;
const char *cpu_name;
ARMword cpu_val;
ARMword cpu_mask;
ARMword cachetype;
} cpu_config_t;
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其具體描述解釋如下：
- cpu_arch_name：描述了arm cpu體系結(jié)構(gòu)的名稱，根據(jù)ARM CPU內(nèi)核的發(fā)展，其體系結(jié)構(gòu)已經(jīng)從Version1發(fā)展到了Version5，其最新版本為Version5TE。而Intel在其基礎(chǔ)上又進行了自己的擴展體系結(jié)構(gòu)StrongARM(基于ARM version4)和XScale(基于ARM version5)。目前SkyEye支持"armv3"、"armv4"、"arm5"、"arm5TE"、"xscale"的體系結(jié)構(gòu)。
- cpu_name：描述了具體的arm cpu名稱，如arm7TDMI、ARM720T、StrongARM1100/1110、XScale PXA2xx等。目前SkyEye支持"arm710"、"arm7TDMI"、"arm720t"、"sa1100"、"xscale"等。
- cpu_val：這是用來表示process id，一般而言每種具體的ARM CPU 都有一個ID，更詳細的描述可參考《ARM Architecture Reference Manual》的B2-6。操作系統(tǒng)根據(jù)這個ID來識別cpu的類型并執(zhí)行相關(guān)配置。
- cpu_mask：這是用來確定process id的屏蔽位數(shù)。由于process id中的某些位用于其它目的，并不用來表示具體的CPU類型。實際上操作系統(tǒng)在確定CPU類型時用到的數(shù)字是cpu_val&cpu_mask。
- cache_type：基于ARM內(nèi)核的CPU種類繁多，但如果根據(jù)CACHE類型來分，可分為三種：無CACHE類型、統(tǒng)一結(jié)構(gòu)CACHE類型和哈佛結(jié)構(gòu)CACHE類型。SkyEye支持這三種類型。統(tǒng)一結(jié)構(gòu)CACHE類型的CPU中，指令和數(shù)據(jù)共用同一個CACHE；而哈佛結(jié)構(gòu)CACHE類型的CPU中，存在相互獨立的數(shù)據(jù)CACHE和指令CACHE。無CACHE的CPU尺寸比有CACHE的CPU尺寸要小很多，成本上有優(yōu)勢，但在性能上要低于有CACHE的CPU。
SkyEye定義了一個cpu_config_t結(jié)構(gòu)的數(shù)組(位于skyeye_option.c中)，結(jié)構(gòu)如下：
cpu_config_t arm_cpu[] = {
{"armv3", "arm710", 0x41007100, 0xfff8ff00, DATACACHE},
{"armv3", "arm7tdmi", 0x41007700, 0xfff8ff00, NONCACHE},
{"armv4", "arm720t", 0x41807200, 0xffffff00, DATACACHE},
{"armv4", "sa1110", 0x6901b110, 0xfffffff0, INSTCACHE},
{"armv4", "sa1100", 0x4401a100, 0xffffffe0, INSTCACHE},
{"xscale", "xscale", 0x69052100, 0xfffffff0, INSTCACHE}
};
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3. machine_config_t數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
machine_config_t結(jié)構(gòu)描述了開發(fā)板配置信息，定義在skyeye_config.h中，具體內(nèi)容如下：
typedef struct machine_config{
const char *machine_name;
void (*mach_init)(ARMul_State *state,\
struct machine_config *this_mach);
void (*mach_io_do_cycle)(ARMul_State *state);
void (*mach_io_reset)(ARMul_State *state);
void (*mach_update_int)(ARMul_State *state);
ARMword (*mach_io_read_byte)(ARMul_State *state, ARMword addr);
void (*mach_io_write_byte)(ARMul_State *state, ARMword addr,\
ARMword data);
ARMword (*mach_io_read_halfword)(ARMul_State *state, \
ARMword addr);
void (*mach_io_write_halfword)(ARMul_State *state, ARMword addr,\
ARMword data);
ARMword (*mach_io_read_word)(ARMul_State *state, ARMword addr);
void (*mach_io_write_word)(ARMul_State *state, ARMword addr,\
ARMword data);} machine_config_t;
}machine_config_t
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其具體描述解釋如下：
- machine_name：開發(fā)板的名稱。目前支持的開發(fā)板有：atmel的基于AT91X40 CPU的開發(fā)板、基于Cirrus Logic ep7312的開發(fā)板、基于Intel StrongARM的adsbitsy開發(fā)板、基于Intel XScale PXA25x的Lubbock開發(fā)板等。
- mach_init：開發(fā)板初始化配置函數(shù)，主要初始化一些與開發(fā)板相關(guān)的變量和配置mach_io_do_cycyle、mach_io_read/write_byte/halfword/word函數(shù)。mach_init函數(shù)被wrappe.c中的init函數(shù)調(diào)用。
- mach_io_reset：開發(fā)板運行初始化函數(shù)。主要初始化與開發(fā)板相關(guān)的變量。
- mach_update_int ：定義了與開發(fā)板相關(guān)的中斷處理函數(shù)。
- mach_io_read/write_*：分別定義與開發(fā)板相關(guān)的I/O函數(shù)。
SkyEye定義了一個machine_config_t結(jié)構(gòu)的數(shù)組(位于skyeye_option.c中)，結(jié)構(gòu)如下：
machine_config_t arm_machines[] = {
{"at91", at91_mach_init, NULL, ......},
{"ep7312", ep7312_mach_init, NULL, ......},
{"s3c4510b", s3c4510b_mach_init, NULL, ......},
{"s3c44b0", s3c44b0_mach_init, NULL, ......},
{"sa1100", sa1100_mach_init, NULL, ......},
{"pxa_lubbock", pxa_mach_init, NULL, ......} ……
};
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4. mem_config_t和mem_bank_t數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
SkyEye的內(nèi)存映射配置結(jié)構(gòu)由mem_config_t和mem_bank_t數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)描述。ARM體系結(jié)構(gòu)與x86體系結(jié)構(gòu)在I/O內(nèi)存映射上有所不同。X86體系結(jié)構(gòu)可以使用I/O端口來映射外部設(shè)備上的寄存器和設(shè)備內(nèi)存；而ARM體系結(jié)構(gòu)是通過標準的memory地址空間來映射外設(shè)的寄存器或設(shè)備內(nèi)存，而且在通常情況下，I/O地址空間不會通過CACHE進行緩存。目前SkyEye支持三種類型的內(nèi)存映射：ROM SPACE(只讀)、RAM SPACE(可讀寫)、IO SPACE(可讀寫，與特定開發(fā)板相關(guān))。SkyEye對這三種類型的內(nèi)存映射的處理是不同的。在SkyEye中把一段連續(xù)的地址空間稱為一個mem_bank，多個mem_bank之間不一定連續(xù)。mem_config_t數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的具體內(nèi)容如下：
typedef struct {
int bank_num;
int current_num;
mem_bank_t mem_banks[MAX_BANK];
} mem_config_t;
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其中 bank_num用來記錄當前的硬件配置中的mem_bank總數(shù)，current_num是用于解析skyeye.conf中的mem_bank配置信息的一個輔助變量，mem_banks數(shù)組具體記錄了每個mem_bank的類型和相關(guān)的訪問函數(shù)。mem_bank_t數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的具體內(nèi)容如下：
typedef struct mem_bank_t {
ARMword (*read_byte)(ARMul_State *state, ARMword addr);
void (*write_byte)(ARMul_State *state, ARMword addr, ARMword data);
ARMword (*read_halfword)(ARMul_State *state, ARMword addr);
void(*write_halfword)(ARMul_State *state, ARMword addr, ARMword data);
ARMword (*read_word)(ARMul_State *state, ARMword addr);
void (*write_word)(ARMul_State *state, ARMword addr, ARMword data);
unsigned long addr, len;
char filename[MAX_STR];
unsigned type;
} mem_bank_t;
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其中的read/write_* 函數(shù)指針分別對應(yīng)了不同類型內(nèi)存映射的訪問函數(shù)；addr表示mem_bank的起始地址；len表示mem_bank_的大?。籪ilename是binary image文件名；type表示mem_bank的類型。函數(shù)指針賦值等配置過程由skyeye_options.c中的函數(shù)do_mem_bank_option完成。如果在skyeye.conf中存在binary image文件名，則do_mem_bank_option函數(shù)會把文件內(nèi)容讀入到對應(yīng)的mem_bank中。
5. net_config_t數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
SkyEye支持網(wǎng)絡(luò)模擬，目前描述網(wǎng)絡(luò)配置的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是net_config_t，它的具體內(nèi)容如下：
typedef struct {
int state;
unsigned char macaddr[6];
unsigned char hostip[4];
int ethmod;
int fd;
int hubindex;
int (*net_init)(int index, unsigned char *macaddr, unsigned char *hostip);
unsigned char (*net_output)(int if_fd, ARMul_State *state,\
unsigned char startpage,unsigned short packet_len);
void (*net_input)(int if_fd, ARMul_State *state);
}net_config_t;
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其中各個field的含義描述如下：
- state是一個布爾變量，它為1表示網(wǎng)絡(luò)芯片工作，它為0表示網(wǎng)絡(luò)芯片不工作。
- macaddr用來保存網(wǎng)絡(luò)芯片的mac地址
- hostip用來保存主機上與SkyEye進行網(wǎng)絡(luò)通信所用的IP地址
- ethmod：表示與主機的模擬網(wǎng)絡(luò)交互的方式；目前定義的交互方式有：
- #define NET_MOD_LINUX 0
- #define NET_MOD_TUNTAP 1
- #define NET_MOD_WIN 2
- #define NET_MOD_VNET 3
目前可以使用的兩種方式有 NET_MOD_VNET(與SkyEye提供的vnet.o內(nèi)核模塊進行網(wǎng)絡(luò)交互)和 NET_MOD_TUNTAP(與linux的tun.on內(nèi)核模塊進行網(wǎng)絡(luò)交互)。
- fd：表示SkyEye用于與主機進行網(wǎng)絡(luò)交互的設(shè)備文件描述符。
- hubindex：用于NET_MOD_VNET方式，表示所處的是第幾個虛擬hub網(wǎng)段。如果它的值是i，則處于第i個hub網(wǎng)段中。
- net_init/net_input/net_output：這三個函數(shù)與具體的模擬網(wǎng)絡(luò)交互方式有關(guān)，分別完成初始化操作和與主機網(wǎng)絡(luò)的輸入輸出操作。相關(guān)的實現(xiàn)在文件skyeye_net_*.c中。
有關(guān)8019AS模擬芯片(NE2000兼容)的具體配置與實現(xiàn)位于文件skyeye-ne2k.[ch]中。有關(guān)網(wǎng)絡(luò)模擬的具體實現(xiàn)可參考錯誤！未找到引用源。節(jié)。
6. ARMul_State數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
上面講述的是與SkyEye的硬件配置相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可以理解為一種靜態(tài)硬件配置的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的域基本不隨著SkyEye模擬硬件的運行而改變。而ARMul_State描述的是一種動態(tài)硬件配置的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它保存了隨著SkyEye模擬硬件的運行而時刻改變的硬件數(shù)據(jù)。由于ARMul_State中的域數(shù)量繁多，大體分為
- 與CPU模擬相關(guān)的域
- 與協(xié)處理器模擬相關(guān)的域
- 與內(nèi)存和MMU/CACHE相關(guān)的域
- 與統(tǒng)計相關(guān)的域
- 與具體開發(fā)板相關(guān)的io部分
這里只描述其中關(guān)鍵的部分：
- 與CPU模擬相關(guān)的域
- ARMword Reg[16]：CPU當前模式下的寄存器值
- ARMword RegBank[7][16]：CPU所有七種模式下的寄存器值
- ARMword Cpsr：CPU的當前程序狀態(tài)寄存器
- ARMword Spsr[7]：CPU所有七種模式下的程序狀態(tài)保存寄存器
- ARMdword Accumulator：40bit的累加寄存器，目前用于xscale體系結(jié)構(gòu)中
- ARMword NFlag, ZFlag, CFlag, VFlag, IFFlags, Sflag,TFlag：各種狀態(tài)位
- ARMword Bank：CPU對應(yīng)模式寄存器組的索引值
- ARMword Mode：CPU模式索引值
- ARMword instr, pc：pc是目前正在執(zhí)行的程序指針，instr是pc所指地址的內(nèi)容
- ARMword loaded, decoded：loaded是正在加載的指令，decoded是正在解碼的指令
- unsigned NfiqSig：FIQ信號
- unsigned NirqSig：IRQ信號
- 與協(xié)處理器模擬相關(guān)的域
- ARMul_CPInits *CPInit[16]：16個協(xié)處理器的初始化函數(shù)
- ARMul_CPExits *CPExit[16]：16個協(xié)處理器的退出函數(shù)
- ARMul_LDCs *LDC[16]：16個協(xié)處理器的LDC指令函數(shù)
- ARMul_STCs *STC[16]：16個協(xié)處理器的STC指令函數(shù)
- ARMul_MRCs *MRC[16]：16個協(xié)處理器的MRC指令函數(shù)
- ARMul_MCRs *MCR[16]：16個協(xié)處理器的MCR指令函數(shù)
- ARMul_CDPs *CDP[16]：16個協(xié)處理器的CDP指令函數(shù)
- ARMul_CPReads *CPRead[16]：16個協(xié)處理器的讀CP寄存器函數(shù)
- ARMul_CPWrites *CPWrite[16]：16個協(xié)處理器的寫CP寄存器函數(shù)
- unsigned char *CPData[16]：16個協(xié)處理器的數(shù)據(jù)指針
- ARMword CP14R0_CCD：在xscale體系結(jié)構(gòu)的CP14協(xié)處理器中，用于統(tǒng)計時鐘周期
- 與內(nèi)存和MMU/CACHE相關(guān)的域
- mmu_state_t mmu：mmu/cache的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，在armmmu.h中定義，詳解請參考"SkyEye的MMU/CACHE和Memory模擬實現(xiàn)"一節(jié)
- mem_state_t mem：memory的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，在armmem.h中定義，詳解請參考"SkyEye的MMU/CACHE和Memory模擬實現(xiàn)"一節(jié)
- 與統(tǒng)計相關(guān)的域
- unsigned long NumScycles, NumNcycles, NumIcycles, NumCcycles, NumFcycles：用于統(tǒng)計不同狀態(tài)下的周期數(shù)
- unsigned long NumInstrs：當前執(zhí)行的指令數(shù)
其它與特定CPU和開發(fā)板相關(guān)的各種io寄存器的定義放到了各個與開發(fā)板相關(guān)的文件中，如skyeye_mach_at91/ep7312/pxa/sa.c等處，詳解請參考"SkyEye的開發(fā)板IO模擬實現(xiàn)"。
與具體開發(fā)板相關(guān)的io部分
ARMul_io mach_io;
其中ARMul_io的結(jié)構(gòu)目前為
struct ARMul_io
{
ARMword *instr; //to display the current interrupt state
ARMword *net_flag;//to judge if network is enabled
ARMword *net_int; //netcard interrupt
ARMword *lcd_is_enable; //turn lcd on?
ARMword *lcd_addr_begin; //the begining display mem addr of lcd
ARMword *lcd_addr_end; //the end display mem addr of lcd
};
|
instr是記錄當前的中斷狀態(tài)
net_flag判斷網(wǎng)絡(luò)選項是否打開
net_int用來記錄網(wǎng)絡(luò)中斷號
lcd_is_enable來記錄LCD是否使能
lcd_addr_begin記錄lcd顯存的起始位置
lcd_addr_end記錄顯存的結(jié)束位置
7． SkyEye邏輯執(zhí)行流程
了解SkEye的總體邏輯執(zhí)行流程，對了解硬件的體系結(jié)構(gòu)和軟件/硬件的接口有較大幫助。從總體上，可把SkyEye邏輯執(zhí)行流程按執(zhí)行的時間順序劃分為兩個階段：
1. SkyEye加載與配置處理過程
2. SkyEye模擬執(zhí)行過程
第一階段為第二階段的正常執(zhí)行做了充分的準備，具體的執(zhí)行內(nèi)容包括；
- 讀入帶調(diào)試信息的操作系統(tǒng)執(zhí)行文件(由GDB完成)
- 根據(jù)配置文件skyeye.conf的信息配置模擬硬件
- 如果skyeye.conf中存在binary image格式文件，加載這些文件
- 根據(jù)操作系統(tǒng)執(zhí)行文件的內(nèi)容加載調(diào)試信息(由GDB完成)
- 根據(jù)操作系統(tǒng)執(zhí)行文件信息加載執(zhí)行文件中的代碼段和數(shù)據(jù)段等(由GDB完成)
- 執(zhí)行相關(guān)模擬硬件的初始化函數(shù)
其中總的初始化函數(shù)是位于wrapper.c中的init函數(shù)，它調(diào)用如下函數(shù)完成整個模擬硬件的初始化工作：
- ARMul_EmulateInit：初始化與執(zhí)行機器指令相關(guān)的數(shù)據(jù)ARMul_ImmedTable和ARMul_BitList
- ARMul_NewState：初始化結(jié)構(gòu)為ARMul_State的全局變量state
- skyeye_option_init：初始化全局變量skyeye_config
- skyeye_read_config：讀取配置文件skyeye.conf并根據(jù)配置文件進行相關(guān)配置
- nic_init：根據(jù)配置文件信息配置網(wǎng)絡(luò)模擬環(huán)境
- skyeye_config.mach->mach_init(state, skyeye_config.mach)：根據(jù)配置文件信息配置CPU和開發(fā)板的相關(guān)I/O函數(shù)
- ARMul_Reset(state)：進一步初始化全局變量state，并根據(jù)配置文件信息配置MMU/CACHE和memory
- io_reset：初始化特定CPU和開發(fā)板的IO寄存器
第二階段根據(jù)特定硬件的配置描述，開始執(zhí)行特定硬件模擬處理。整個過程圍繞CPU執(zhí)行指令展開，根據(jù)模擬硬件可分為如下幾個階段：
- CPU執(zhí)行三級流水線處理，即取指令、譯碼、執(zhí)行指令，主要處理集中在armemu.c中的ARMul_Emulate32/26函數(shù)。
- 在執(zhí)行指令過程中，如果有中斷產(chǎn)生，CPU調(diào)整運行模式，并改變指令指向中斷向量起始地址，主要處理集中在arminit.c中的函數(shù)ARMul_Abort函數(shù)、armemu.c中的ARMul_Emulate32/26函數(shù)。
- 在執(zhí)行指令過程中，如果指令是協(xié)處理器指令，則把指令轉(zhuǎn)交給協(xié)處理器模擬模塊進行進一步處理，主要處理集中在文件armcopro.c、xscale_copro.c等文件中。
- 在執(zhí)行指令過程中，如果發(fā)現(xiàn)指令是訪問內(nèi)存/IO的指令，則根據(jù)SkyEye模擬的特定CPU是否有MMU/CACHE分別進行處理：
- 如果CPU有MMU/CACHE，則進入MMU/CACHE模擬模塊，如果還需要內(nèi)存訪問，則進入memory模擬模塊處理。如果訪問地址屬于IO地址空間，則轉(zhuǎn)到特定CPU和開發(fā)板的IO模擬模塊處理。
- 如果CPU沒有MMU/CACHE，則直接進入memory模擬模塊處理。如果訪問地址屬于IO地址空間，則轉(zhuǎn)到特定CPU和開發(fā)板的IO模擬模塊處理。
處理訪問內(nèi)存/IO的指令的相關(guān)內(nèi)容集中在armvirt.c；與MMU/CACHE處理、read/write buffer(用于StrongARM和XScale體系結(jié)構(gòu)的模擬)處理相關(guān)的文件包括armmmu.[ch]、mmu/*.[ch]；與訪問memory模擬有關(guān)的內(nèi)容主要集中在armmem.[ch]中。
- 如果要執(zhí)行IO地址訪問，這具體的處理過程由特定CPU和開發(fā)板IO模擬模塊中的read/write_byte/halfword/word函數(shù)處理。
- 為了模擬外設(shè)的執(zhí)行，在執(zhí)行指令過程的每一個周期，會執(zhí)行一個io_do_cycle函數(shù)，它會調(diào)用特定CPU和開發(fā)板的IO模擬模塊中的*_io_do_cycle函數(shù)，完成對時鐘、網(wǎng)絡(luò)輸入輸出、UART輸入輸出等的處理，并根據(jù)條件產(chǎn)生中斷信號。
下一篇文章將討論 CPU/開發(fā)板仿真。
參考資料
關(guān)于作者