80C51虛擬指令執(zhí)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

 引言

在進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)開(kāi)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(xiě)入目標(biāo)機(jī)中運(yùn)行，這種開(kāi)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(xiě)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(lài)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(lèi)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(lèi)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(kāi)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(xiě)存儲(chǔ)單元。在讀寫(xiě)存儲(chǔ)單元時(shí)需要指出存儲(chǔ)單元的類(lèi)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(lèi)：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(lèi)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(xiě)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。