硬件仿真实现之---SkyEye的设计实现

　　一． SkyEye的总体结构
　　SkyEye基于GDB/ARMulator(目前由David McCullough 维护)，并进行了全面的改变和扩展。SkyEye建立在GNU GDB的底层，可以模仿多种完整的嵌入式计算机系统，目前模拟的硬件包括CPU、内存、I/O寄存器、时钟、UART、网络芯片、MMU、CACHE，将来还会模拟 LCD、USB等各种硬件。在SkyEye上运行的操作系统和各种系统软件"意识"不到它们是在一个虚拟的计算机系统上运行。
　　
　　SkyEye从总体上分为四个层次：
　　
　　用户接口模块：包括命令行用户界面和图形用户界面，完成处理用户的输入命令，并把相关调试数据输出给用户的任务。这一部分基本上直接利用了GDB的用户接口模块，并在此基础上有一定的扩充。
　　符号处理模块：主要处理执行文件的头信息，解释执行文件中内嵌的debuger调试信息，对符号表的管理，对源代码表达式的解析，定位源代码中的语句位置和机器码的位置关系等。这一部分也是直接利用了GDB的符号处理模块，也正是有了这个模块的支持，SkyEye可以支持源码级调试。
　　目标控制模块：主要完成执行控制（如中断程序的执行，设置中断条件等），程序栈结构分析，对具体目标硬件的控制（如本地调试、远程调试和模拟调试的控制）。这一部分完成对SkyEye上运行的软件的控制，提供了多种调试手段。
　　目标模拟模块：这一部分是SkyEye的核心。它的功能是模仿计算机系统中的主要硬件（包括CPU、内存和各种硬件外设等）的执行，对执行文件的机器指令进行解释，并模拟执行每一条机器指令，产生相应的硬件响应等。
　　
　　二． SkyEye目标模拟模块功能划分
　　
　　SkyEye目标模拟模块模拟的硬件逻辑结构图如图 0 1所示。SkyEye目标模拟模块从功能上可分为如下几大模块：
　　
　　配置选项解析和初始化模块：在模拟硬件开始运行前，根据配置文件的选项，控制对模拟硬件的配置和初始化。相关文件包括：
　　arminit.c：控制各种模拟硬件的初始化
　　skyeye_config.[ch]：解析配置文件的选项行
　　skyeye_options.c：根据各种硬件的选项，完成各种配置
　　
　　处理器模拟宏模块：主要完成与处理器体系结构相关的模拟，它可细分为：CPU指令模拟执行模块、MMU/CACHE模拟模块、CoProcessor(又称协处理器)模拟模块。
　　CPU指令模拟执行模块：其主要任务是：当模拟硬件开始运行，完成指令读取，指令译码，指令执行的工作；如果CPU状态发生了改变，调整指令和各种寄存器值；在指令执行前，调用开发板IO模拟模块的io_do_cycle驱动模拟各种外设的行为。主要的文件包括：
　　armemu.[ch]：模拟CPU的3级流水线，并具体执行各种指令
　　MMU/CACHE模拟模块：本模块分为两部分：与具体CPU类型无关的MMU/CACHE模拟子模块和与具体CPU类型相关的模拟子模块。主要的任务是：根据配置文件进行初始化；进行MMU/CACHE模拟；执行与MMU/CACHE相关的指令。如果CPU指令模拟模块执行读写存储器的操作指令，则转到MMU/CACHE模拟模块。如果模拟的CPU类型不支持MMU(如ARM7TDMI)，则SkyEye会根据将访问的地址，直接转到MEMORY模拟模块或开发板IO模拟模块；否则转到具体CPU类型相关的模拟子模块进行MMU/CACHE模拟。主要的文件包括两部分：
　　与具体CPU类型无关的MMU/CACHE模拟子模块：
　　armvirt.c、armmmu.c、mmu/*.[ch]
　　与具体CPU类型相关的MMU/CACHE模拟子模块：
　　sa_mmu.[ch]：模拟strongarm的MMU/CACHE
　　arm7100_mmu.[ch]：模拟arm7[12]0T的MMU/CACHE
　　xscale_copro.c：模拟xscale的MMU/CACHE
　　arm920t_mmu.[ch]：模拟arm920t的MMU/CACHE
　　CoProcessor(又称协处理器)模拟模块：其主要任务是：完成各种协处理器的初始化；执行各种协处理器的指令。实际上MMU/CACHE模拟模块的一部分工作是模拟ARM的第15号协处理器，它的主要功能是配置MMU/CACHE等。主要的文件包括：
　　armcopro.c：根据配置信息，完成对ARM协处理器的初始化配置
　　xscale_copro.c：模拟xscale的协处理器cp13、cp14、cp15
　　sa_mmu.[ch]、arm7100_mmu.[ch]：模拟strongarm、ep7312的协处理器cp15
　　arm920t_mmu.[ch]：模拟arm920t的协处理器cp13、cp14、cp15
　　IO模拟宏模块：本模块包含各种逻辑行为各异的外设模拟，主要包括系统IO模拟模块、网络芯片模拟模块、LCD模拟模块等。
　　系统IO模拟模块：本模块的主要任务包括：根据配置文件进行IO和外设初始化；完成各种外部IO设备的模拟(如时钟计数器累加、产生中断、LCD显示等)；进行各种特定CPU和外设的IO寄存器读写的模拟。本模块与各种具体的开发板和CPU有很紧密的联系，主要的文件包括：
　　armio.[ch]：建立在各个特定模拟子模块上的抽象层模块
　　skyeye_mach_at91.c：模拟Atmel AT91X40开发板
　　skyeye_mach_ep7312.c：模拟cirrus ep7312开发板
　　skyeye_mach_pxa.c：模拟intel xscale lubbock开发板
　　skyeye_mach_s3c4510b.c：模拟基于samsung s3c4510b的开发板
　　skyeye_mach_s3c44b0.c：模拟基于samsung s3c44b0的开发板
　　skyeye_mach_sa.c：模拟基于intel strongam的adsbitsy开发板
　　skyeye_mach_lpc.c：模拟基于philip lpc2249的开发板
　　skyeye_mach_sharp.c：模拟基于sharp lh7a400的开发板
　　skyeye_mach_at91rm92.c：模拟基于atmel at91rm9200的开发板
　　skyeye_mach_cs89712.c：模拟基于cs89712的开发板
　　网络芯片模拟模块：本模块主要完成了对8019AS网络芯片的模拟工作，主要任务包括：模拟8019AS的控制逻辑、8019AS与具体开发板IO模拟模块的接口、虚拟网络输入输出接口处理。主要的文件包括：
　　skyeye-ne2k.[ch]：8019AS的硬件逻辑模拟
　　skyeye_mach_at91.c：部分内容完成接收虚拟网络输入处理模拟
　　skyeye_net_tuntap.c：配置tuntap虚拟网络的接口
　　skyeye_net_vnet.c：配置vnet虚拟网络的接口
　　vnet.c、if_vnet.h：独立存在的软件包，vnet虚拟网络的具体实现
　　LCD/TouchScreen模拟模块：本模块主要完成LCD/TouchScreen控制逻辑的模拟，是目前唯一需要GUI支持的模块，它的主要任务是：配置LCD/TouchScreen硬件模拟、模拟LCD/TouchScreen控制逻辑。有关LCD/TouchScreen模拟相关的文件包括：
　　skyeye_lcd.[ch]： LCD/TouchScreen配置和LCD/TouchScreen模拟的通用控制逻辑
　　skyeye_mach_*.c：与开发板相关LCD/TouchScreen的控制逻辑和中断处理，目前支持ep7312和pxa255的skyeye模拟。
　　MEMORY模拟模块：本模块与具体的CPU和开发板无关，它的主要任务包括：根据配置文件进行内存初始化，并加载binary image文件；进行RAM/ROM读写的模拟。主要的文件包括：
　　armmem.[ch]：主要完成RAM/ROM读写模拟
　　
　　三． SkyEye关键数据结构
　　SkyEye目标模拟模块中，各种数据结构很多，用于模拟硬件总体机构定义的主要数据结构有skyeye_config_t和ARMul_State。把握这两个数据结构，是理解整个skyeye模拟的硬件体系结构的关键，在这两个数据结构上进行进一步细化分析，则可充分了解skyeye的硬件体系结构细节。
　　
　　1. skyeye_config数据结构
　　skyeye_config_t结构描述了SkyEye模拟的整个硬件的静态配置，它的具体内容如下：
　　
　　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;
　　
　　skyeye_config_t结构包含了CPU核心配置信息－cpu、开发板配置信息－mach、memory map 配置信息-mem、网络芯片和网络环境配置信息－net、面向主机的输入输出配置信息－uart、测试记录输出配置信息－log、模拟执行起始地址配置信息－start_address、是否有LCD－no_lcd和记录文件名信息－config_file。这里面与模拟硬件紧密相关的是CPU核心配置信息、开发板配置信息、memory map 配置信息、网络芯片和网络环境、LCD配置信息。
　　
　　2. cpu_config_t数据结构
　　描述CPU核心的结构定义在cpu_config_t数据结构中，具体内容如下：
　　typedef struct {
　　　　const char *cpu_arch_name;
　　　　const char *cpu_name;
　　　　ARMword cpu_val;
　　　　ARMword cpu_mask;
　　　　ARMword cachetype;
　　} cpu_config_t;
　　
　　其具体描述解释如下：
　　
　　cpu_arch_name：描述了arm cpu体系结构的名称，根据ARM CPU内核的发展，其体系结构已经从Version1发展到了Version5，其最新版本为Version5TE。而Intel在其基础上又进行了自己的扩展体系结构StrongARM(基于ARM version4)和XScale(基于ARM version5)。目前SkyEye支持"armv3"、"armv4"、"arm5"、"arm5TE"、"xscale"的体系结构。
　　cpu_name：描述了具体的arm cpu名称，如arm7TDMI、ARM720T、StrongARM1100/1110、XScale PXA2xx等。目前SkyEye支持"arm710"、"arm7TDMI"、"arm720t"、"sa1100"、"xscale"等。
　　cpu_val：这是用来表示process id，一般而言每种具体的ARM CPU 都有一个ID，更详细的描述可参考《ARM Architecture Reference Manual》的B2-6。操作系统根据这个ID来识别cpu的类型并执行相关配置。
　　cpu_mask：这是用来确定process id的屏蔽位数。由于process id中的