ARM模拟器的设计与实现

为了快速模 拟 ＡＲＭ 寄 存 器，本 文 将 每 个 寄 存器设计为一个 ３２ 位的整型变量，通过一个二维 数组（１８×７）模拟 ＡＲＭ 寄存器查找 表，数 组 每 一 列对应于 每 一 种 模 式 下 可 以 被 访 问 的 寄 存 器 列 表，每 一 个 表 项 均 是 指 向 某 一 个 寄 存 器 的 指 针。 由于 ＡＲＭ 处理器在 Ｕｓｅｒ 和 Ｓｙｓｔｅｍ 模式下没有 备 份 状 态 寄 存 器 ＳＰＳＲ，因 此 定 义 为 空 指 针 （ＮＵＬＬ）。通过 该 寄 存 器 查 找 表，可 以 快 速 地 访 问到每一寄存器。
Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｓｉｍｕｌａｔｏｒ ｏｆ ＡＲＭ
ＷＥＩ Ｒｏｎｇ，ＸＵ Ｗｅｉ，ＭＡＩ Ｙｏｎｇ-ｈａｏ （Ｄｅｐｔ．ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｕｂｅｉ Ｕｎｉｖ．ｏｆ Ｐｏｌｉｃｅ，Ｗｕｈａｎ ４３００３４，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ ｅｌｉｍｉｎａｔｅ ｔｈｅ ｂａｒｒｉｅｒｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ｔｏ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｏｆ ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｓｙｓｔｅｍｓ ａｎｄ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，ｓｅｃｕｒｉｔｙ ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅｍ，ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｓｉｍｕｌａｔｏｒ ｏｎ ａｎ ＡＲＭ ｐｌａｔｆｏｒｍ ａｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌｓ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｏｆ Ｓ３Ｃ２４４０，ｔｈｅ ｒｅｇｉｓｔｅｒ，ｔｈｅ ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｓｅｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｉｐｅｌｉｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ＡＲＭ ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ ａｒｅ ｆｉｒｓｔｌｙ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ．Ｔｈｅｎ ｓｕｃｈ ｍａｉｎ ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｒｕｐｔ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，ｔｈｅ ｓｅｒｉａｌ ｐｏｒｔ，ｔｈｅ ｎｅｔｗｏｒｋ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｃａｒｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｃｌｏｃｋ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ａｒｅ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ．Ｉｎ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｏｒ，ｔｈｅ ｂｏｏｔ ｌｏａｄｅｒ ｉｓ ｌｏａｄｅｄ ａｎｄ ｅｘｅｃｕｔｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｖｅｒｉｆｉｅｓ ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｃｔｎｅｓｓ ａｎｄ ｔｈｅ ａｖａｉｌａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｏｒ．
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海军工程大学学报
第 ２８ 卷
取代开发板等硬 件 的 功 能，但 通 过 它 可 以 比 较 容 易地进 入 到 嵌 入 式 软 件 开 发 的 广 阔 天 地 中。 同 时，开发者和研究 人 员 还 可 以 利 用 模 拟 器 完 成 某 些特殊的任务，如 处 理 器 指 令 集 设 计 的 正 确 性 验 证 、指 令 的 分 布 率 、程 序 执 行 的 覆 盖 度 分 析 等 。 本 文基于 ＡＲＭ 指 令 的 特 征 值 计 算 及 分 析，进 行 了 对 ＡＲＭ 处理器的模拟与设计。
ＡＲＭ 有 ７ 种 工 作 模 式，每 一 种 模 式 都 可 以 访问 １ ６ 个通用寄存器，它们以 ０ － １ ５ 编 号（以 １ ５ 为编号的寄存器又称为 ＰＣ，即程序计数器），只是 这些编号对应的寄存器在不同模式下可能是不同 的。例如：编号为 ０ 的寄存器，在任何模式下都是 Ｒ０ 寄存器，而编号为 ８ 的寄存器在除快中 断 模 式 以外的其他 模 式 下 都 对 应 Ｒ８ 寄 存 器，而 在 快 中 断模式下则对应 Ｒ８＿ｆｉｑ 寄存器。
１．２ ＡＭＲ 指令集模拟
指令集模拟 包 括 取 指、译 码 和 执 行。 在 取 指 阶段，先根据 程 序 计 数 器 ＰＣ 的 值 从 指 定 位 置 读 出 一 条 指 令 ，经 过 译 码 单 元 翻 译 出 这 条 指 令 ，然 后 在模拟器内 部 执 行。 在 译 码 阶 段，将 译 码 过 程 设 计成一个简单函 数，它 能 够 接 收 指 令 的 二 进 制 表 示，并返回对应的 指 令。 在 执 行 阶 段，由 于 ＡＲＭ 体 系 结 构 支 持 庞 大 的 指 令 集 ，因 此 为 了 便 于 修 改 、 调 试 及 日 后 扩 展 ，本 文 采 用 模 块 化 的 方 法 ：将 每 条 指令都设计为一 小 段 函 数，指 令 执 行 的 模 拟 方 法 即为调用该 函 数。 关 于 指 令 集 模 拟，还 需 要 考 虑 如下问题。
成 为 广 大 嵌 入 式 开 发 者／学 生 深 入 领 会 嵌 入 式 系 统底层知识的一个重大障碍。利用基于嵌入式模 拟器，开发人员则 无 需 将 应 用 程 序 下 载 到 开 发 板 上，直接在模拟器 中 运 行 即 可 掌 握 应 用 程 序 的 运 行 结 果 ，并 可 以 进 行 源 码 级 的 系 统 软 件 开 发 、方 便 修 改 与 调 试 ，提 高 了 开 发 效 率 。 而 在 现 阶 段 ，在 嵌 入式处理器 领 域，基 于 ＡＲＭ 指 令 系 列 的 处 理 器 所占比例相当大。虽然 ＡＲＭ 模拟器并 不 能 完全
在 ＡＲＭ 处 理 器 模 拟 过 程 中，需 要 分 别 对 ＡＲＭ 寄存器、ＡＲＭ 指令集及 ＡＲＭ 流水线进行模拟。
１．１ ＡＲＭ 寄存器模拟
ＡＲＭ 指令系列的处 理 器 属 于 ３２ 位 的 ＲＩＳＣ （ｒｅｄｕｃｅ ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｓｅｔ ｃｏｍｐｕｔｅｒ，精简指令集）体 系结构；它共有 ３７ 个 ３２ 位寄存器，大部分操作都 可由这些寄存器直接完成。由于寄存器是处理器 需要频繁访问的 资 源，因 此 如 何 设 计 一 个 简 单 高 效的方法将寄存器访问规则用程序表现出来是寄 存器模拟的主要问题。
后，在 ＡＲＭ 模拟器上运行嵌入式 Ｂｏｏｔｌｏａｄｅｒ 程序（Ｕｂｏｏｔ），完成了功能测试盒的性 能 分 析，验 证 了 模 拟 器 设 计
的正确性和方法的可用性。
关键词：ＡＲＭ 处理器；模拟器；指令译码
中图分类号：ＴＰ３ １ ６
文献标志码：Ａ
文章编号：１００９－３４８６（２０１ ６）０２－０００９－０６
１）ＡＲＭ 处理器是 ３２ 位字长处理器，每 条 指 令的长 度 都 是 ３２ 位，因 此 本 文 使 用 一 个 ３２ 位 整 型变量来保存一条指令。
第２期
危 蓉 等：ＡＲＭ 模拟器的设计与实现
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２）几乎每条 Ａ行指令单元的开始处判断条件是否满 足（状态位的计算方法在 ３．１ 节给出）。即如果当 前条件不满足该指令的要求时，ＣＰＵ 就会简 单 地 跳 过 这 条 指 令 ，继 续 执 行 下 一 条 指 令 。
１ ＡＲＭ 处理器模拟
目前，有 多 种 ＡＲＭ 平 台 的 模 拟 器，如 Ａｎｄｒｏｉｄ 模拟器，ＡＲＭｗａｒｅ 模 拟 器，ＳｋｙＥｙｅ 模 拟 器 等 。 ［２］ 其中，Ａｎｄｒｏｉｄ 模拟 器 是 Ｇｏｏｇｌｅ 公 司 为 开 发者开发 Ａｎｄｒｏｉｄ 平台的应用程序而推出的一款 特定于 Ａｎｄｒｏｉｄ 系 统 的 ＡＲＭ 模 拟 器［３］，但 对 于 ＡＲＭ 平台没有通用性；ＡＲＭｗａｒｅ 是 台 湾 公 司 开 发的 一 款 优 秀 的 ＡＲＭ 平 台 通 用 模 拟 器，但 ＡＲＭｗａｒｅ 只 支 持 ＡＲＭｖ４ 指 令 集，因 此 无 法 模 拟较新的、使 用 更 高 级 的 ＡＲＭ 指 令 集 的 硬 件 平 台；ＳｋｙＥｙｅ 模拟器是另一款优秀的 ＡＲＭ 平台模 拟器，其指令 译 码 则 是 基 于 按 位 比 较 进 行 的。 其 他 一 些 优 秀 的 开 源 全 系 统 模 拟 器，如 ＧＳｉｍ、 ＳｉｍＯＳ、ＯＶＰＳｉｍ 等，为了模拟多种 ＣＰＵ 结构，其 配置操作过程相对较复杂 。 ［４］
在模拟 ＡＭＲ 指 令 系 列 处 理 器 的 过 程 中，对 于运算指令，根据 相 应 的 运 算 法 则 计 算 结 果 并 修 改模拟器内部的 相 应 寄 存 器 或 内 存 的 值；对 于 访 问存储器指令，根 据 特 定 的 内 存 管 理 系 统 地 址 变 换规则计算出相 应 的 内 存 地 址，从 其 中 读 取 或 写 入 数 据 ；对 于 处 理 器 状 态 相 关 指 令 ，则 根 据 不 同 的 指令修改模拟器内部的处理器相关状态。因此，
３）ＡＲＭ 处 理 器 有 两 套 指 令 集，即 ＡＲＭ 指 令集和 Ｔｈｕｍｂ 指 令 集，因 此 需 要 模 拟 两 套 指 令 集 ，并 且 能 够 在 指 令 集 间 进 行 切 换 ，而 本 文 主 要 针 对于 ＡＲＭ 指令集的模拟。
第 ２８ 卷 第 ２ 期 ２０１６ 年 ４ 月
海军工程大学学报
ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＮＡＶＡＬ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ ＯＦ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ
ＤＯＩ：１０．７４９５／ｊ ．ｉｓｓｎ．１００９-３４８６．２０１ ６．０２．００３
ＡＲＭ 模拟器的设计与实现
Ｖｏｌ．２８ Ｎｏ．２ Ａｐｒ．２０１ ６
危 蓉，徐 伟，麦永浩
模拟器的工作原理是将需要运行的代码载入 到 模 拟 器 内 存 中 ，然 后 根 据 特 定 的 规 则 进 行 取 指 、 译码，以理解该指令的目的［５］。其中，处理器 的 指 令集模拟是整个模拟器的核心。通常有两种指令 集模拟方法：一是 将 目 标 平 台 的 指 令 反 汇 编 成 主 机 平 台 的 指 令 集 ，然 后 直 接 在 主 机 上 运 行 ；二 是 通 过软件的方法模拟目标平台的每条指令。前者的 优点是速度较快，但 由 于 目 标 平 台 和 主 机 平 台 的 指 令 集 的 差 异 性 ，导 致 某 些 模 拟 不 成 功 ，而 后 者 虽 然速度较慢，但可 以 在 主 机 上 模 拟 任 何 平 台 的 指 令 集 ，模 拟 器 经 过 取 指 ，再 根 据 特 定 的 规 则 进 行 译 码，可在内置 的 虚 拟 环 境 中 模 拟 指 令 的 执 行。 本 文研究的是第二种模拟方法的实现方式。