基于VTEST的TMS320C3x指令集模擬器設(shè)計(jì)

郭向英，盛 莊，張西超

（北京控制工程研究所，北京100190）

0 引 言

VTEST是一個(gè)運(yùn)行在X86宿主機(jī)上的嵌入式軟件仿真測試開發(fā)平臺［1，2］，可用于構(gòu)建虛擬的軟件運(yùn)行環(huán)境，目前主要應(yīng)用于航天嵌入式軟件的測試過程［3］。VTEST的核心是一個(gè)指令集模擬器［4，5］，用于在軟件層面對目標(biāo)計(jì)算機(jī)的各個(gè)組成部分，包括目標(biāo)處理器指令集、中斷控制器、外設(shè)等進(jìn)行全系統(tǒng)模擬，從而使得軟件能夠在不做任何修改前提下運(yùn)行于不同體系結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)。在嵌入式軟件的開發(fā)過程中，以指令集模擬器為核心的仿真環(huán)境能夠提供一個(gè)接近于真實(shí)目標(biāo)機(jī)的運(yùn)行環(huán)境，使軟件開發(fā)能夠與硬件開發(fā)同步進(jìn)行［6］。TMS320C3x是RISC類型DSP處理器，可以在一個(gè)周期內(nèi)完成整數(shù)或浮點(diǎn)數(shù)乘法和算術(shù)邏輯單元的并行操作，其家族成員包括：C30、C31／LC31、C32和VC33。本文第一部分針對TMS320C3x指令尋址模式較多的特點(diǎn)，提出了雙線代碼指令模擬技術(shù)，該技術(shù)能兼顧指令模擬效率與模擬器實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度；第二部分對中斷處理機(jī)制進(jìn)行了研究，給出了中斷響應(yīng)模擬策略；第三部分基于VTEST提供的定時(shí)機(jī)制設(shè)計(jì)了事件驅(qū)動外設(shè)模擬方法；第四部分驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)模擬器的指令執(zhí)行速度，并測試了模擬中斷和外設(shè)時(shí)對模擬器性能的影響。

1 指令集模擬

1.1 純字節(jié)解釋與穿線代碼

純字節(jié)解釋是一種比較簡單的模擬器實(shí)現(xiàn)方法，其核心是一個(gè)循環(huán)，反復(fù)執(zhí)行取指、譯碼和執(zhí)行過程［7］。由于解釋一條指令需要經(jīng)歷取指、譯碼和模擬執(zhí)行3個(gè)階段，因此盡管這種方法易于實(shí)現(xiàn)，但缺點(diǎn)是指令模擬的效率非常低。常見的改進(jìn)方法是將譯碼和模擬分成兩個(gè)階段，譯碼時(shí)將目標(biāo)碼翻譯成中間格式代碼并進(jìn)行緩存，模擬執(zhí)行時(shí)直接讀取中間碼，因?yàn)槟繕?biāo)碼往往被設(shè)計(jì)成更適合機(jī)器使用，而中間碼則被設(shè)計(jì)成更利于解釋器使用［8］。

在這些改進(jìn)方法中，運(yùn)用較多的一種技術(shù)是穿線代碼，其執(zhí)行過程與硬件執(zhí)行指令的特點(diǎn)類似，如圖1所示，在譯碼階段確定指令對應(yīng)的模擬程序，一條指令的模擬程序執(zhí)行結(jié)束后直接跳轉(zhuǎn)到后繼指令的模擬程序，節(jié)省了不必要的循環(huán)執(zhí)行開銷。與純字節(jié)解釋方法相比，前者是一次譯碼，一次執(zhí)行，后者是一次譯碼，多次執(zhí)行［9］。

圖1 穿線代碼

1.2 雙線代碼

TMS320C3x的指令共有四組尋址模式，每組模式可使用至少兩種尋址類型，如圖2所示，其中間接尋址又分為相對間接尋址、IR0索引或IR1索引間接尋址，以及兩項(xiàng)特殊的間接尋址，共計(jì)26種子類型。針對這些指令特點(diǎn)，使用穿線代碼技術(shù)開發(fā)指令集模擬器時(shí)，譯碼階段一般會選擇下面兩種方案之一進(jìn)行處理：

方案一：譯碼時(shí)不對組尋址模式和尋址類型進(jìn)行解析，指令模擬執(zhí)行時(shí)在模擬程序中進(jìn)行相應(yīng)地解析工作；

圖2 指令尋址模式與尋址類型

方案二：對指令的每種尋址方式分別編寫尋址解析程序，譯碼時(shí)解析出尋址方式并確定相應(yīng)的指令模擬程序，模擬程序執(zhí)行時(shí)不再進(jìn)行尋址方式解析；

上述兩種方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，第一種方案的優(yōu)點(diǎn)是針對每條指令只編寫一個(gè)指令模擬程序，模擬器開發(fā)的工作量小，缺點(diǎn)是每次執(zhí)行時(shí)需要重復(fù)對指令進(jìn)行尋址解析，模擬速度較低；第二種方案的優(yōu)點(diǎn)是執(zhí)行時(shí)不需要進(jìn)行尋址方式解析，模擬速度較快，缺點(diǎn)是需要為一條指令編寫30多個(gè)模擬程序，模擬器開發(fā)工作量較大。

綜合考慮上述兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，可以采用一種兼顧指令模擬效率和模擬器開發(fā)工作量的折中方案，即為每條指令編寫一個(gè)模擬程序，但針對每種尋址類型分別編寫尋址解析程序，在譯碼階段解析出指令的尋址方式，并將尋址尋址方式對應(yīng)的尋址解析程序地址與指令模擬程序地址一起緩存。模擬指令執(zhí)行時(shí)，不必再進(jìn)行指令尋址方式解析，而是直接進(jìn)入相應(yīng)的尋址解析程序序取出操作數(shù)，然后跳轉(zhuǎn)到指令模擬程序，其執(zhí)行過程如圖3所示。

圖3 雙線代碼

這里將這種方案稱為雙線代碼，它是對穿線代碼技術(shù)的一種改進(jìn)。采用雙線代碼技術(shù)模擬指令時(shí)，緩存的中間碼包含兩條線，一條線指向?qū)ぶ方馕龀绦?，另一條線指向模擬程序，指令模擬執(zhí)行時(shí)須沿著這兩條線先后執(zhí)行。相對于第一種方案，編寫模擬程序的工作量沒有變化，只是在譯碼階段增加了對尋址處理程序的緩存工作，模擬器的空間復(fù)雜度有所升高，但模擬執(zhí)行效率卻可獲得較大提升；相對于第二種方案，雙線代碼多了一次跳轉(zhuǎn)，指令模擬執(zhí)行時(shí)會增加3條X86機(jī)器指令，速度會略有降低，但由于針對每條指令僅需編寫一個(gè)模擬程序，因此，可節(jié)省90%以上的模擬程序開發(fā)工作量。

1.3 中間碼格式

由于穿線代碼將譯碼和調(diào)度執(zhí)行服務(wù)程序分成兩個(gè)獨(dú)立的階段，其中譯碼階段對目標(biāo)指令進(jìn)行解析并緩存結(jié)果，調(diào)度執(zhí)行階段根據(jù)緩存的中間碼直接進(jìn)行模擬執(zhí)行，因此要求中間碼包含足夠的信息以滿足執(zhí)行的需要。一般情況下，每個(gè)中間碼都包含兩個(gè)信息，一個(gè)是執(zhí)行時(shí)應(yīng)調(diào)用的模擬程序，另一個(gè)是調(diào)用時(shí)需要傳遞的參數(shù)。

對于雙線代碼，除了上述兩個(gè)信息外，還需要一個(gè)指示尋址解析程序的信息。使用雙線代碼模擬時(shí)中間碼的結(jié)構(gòu)如圖4所示，這個(gè)結(jié)構(gòu)體主要包含3個(gè)參數(shù)，其中參數(shù)parms存放模擬指令時(shí)需要的輸入?yún)?shù)，如源寄存器、目的寄存器等，參數(shù)routine1指示尋址解析程序地址，參數(shù)routine2指示指令模擬程序地址；執(zhí)行階段以param作為輸入?yún)?shù)，沿著routine1、routine2兩條線進(jìn)行指令模擬。

1.4 特殊中間碼

圖4 雙線中間碼結(jié)構(gòu)

TMS320C3x有一些特殊的指令，如延遲分支、RPTS等，它們的操作不是在一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)完成，后繼指令執(zhí)行時(shí)仍受其副作用影響。如果在每條指令模擬時(shí)逐項(xiàng)判斷當(dāng)前是否存在某種特殊情況需要處理，將對模擬器的性能產(chǎn)生較大影響。為避免這種情況，一種處理方式是在特殊指令所影響的位置插入特殊中間碼，通過特殊中間碼完成相應(yīng)的后續(xù)操作。下面以延遲分支指令為例說明特殊中間碼的設(shè)置方式及工作機(jī)理，如圖5所示，指令 （1）是一條延遲分支指令，其執(zhí)行時(shí)如果標(biāo)志位Z沒有置位，則順序執(zhí)行，否則跳轉(zhuǎn)至寄存器R0所指向的目的地址，但跳轉(zhuǎn)操作并不立即執(zhí)行，而是在延遲3條指令之后，即在指令（4）執(zhí)行之后，指令 （5）執(zhí)行之前才跳轉(zhuǎn)，所以將此位置的中間碼替換成特殊中間碼，在該處根據(jù)BZD指令執(zhí)行時(shí)的判斷情況控制程序順序或跳轉(zhuǎn)執(zhí)行。

圖5 延遲分支特殊中間碼

2 中斷模擬

2.1 中斷識別

TMS320C3x包含多個(gè)外部和內(nèi)部中斷，外部中斷有INT0INT3，內(nèi)部中斷包括DMA、定時(shí)器和串口中斷，其中C30、C31中斷向量地址是固定的，C32中斷向量地址是可配置的。TMS320C3x通過3個(gè)寄存器來控制中斷：狀態(tài)寄存器ST、中斷使能寄存器IE和中斷標(biāo)記寄存器IF。當(dāng)中斷產(chǎn)生時(shí)，中斷標(biāo)記寄存器IF標(biāo)記位被置位，如果狀態(tài)寄存器ST的全局中斷控制位GIE處于使能狀態(tài)，且中斷使能寄存器IE相應(yīng)的位被使能，則響應(yīng)中斷。

模擬器運(yùn)行時(shí)，必須及時(shí)識別中斷并模擬中斷影響過程［10］。為了檢查指令模擬執(zhí)行后是否存在待響應(yīng)的中斷，需要在穿線代碼層進(jìn)行判斷，但如果在穿線代碼執(zhí)行時(shí)每次均通過ST、IE、IF這3個(gè)寄存器來識別是否存在待響應(yīng)的中斷，需要增加下面操作：

在X86機(jī)器上，實(shí)現(xiàn)上述操作至少需要3條讀內(nèi)存指令、一條位運(yùn)算指令、一條邏輯運(yùn)算指令以及一條條件轉(zhuǎn)移指令。由于模擬每條指令均要進(jìn)行上述判斷，所以使用這種中斷識別方式會對模擬器性能產(chǎn)生較大的負(fù)面影響。一種更快的方式是定義一個(gè)中斷變量，用于標(biāo)記當(dāng)前是否存在待響應(yīng)的中斷，只有在中斷發(fā)生時(shí)才根據(jù)ST、IE和IF判斷產(chǎn)生的中斷是否需要響應(yīng)，是則設(shè)置中斷變量對應(yīng)的標(biāo)記位，否則等待中斷響應(yīng)條件滿足后再進(jìn)行設(shè)置。穿線代碼執(zhí)行時(shí)直接通過該中斷變量來識別是否進(jìn)行中斷處理，這個(gè)過程只需要兩條X86機(jī)器指令。

2.2 中斷響應(yīng)過程

中斷響應(yīng)模擬過程如圖6所示，若執(zhí)行至某個(gè)中間碼時(shí)需要響應(yīng)中斷，在該指令執(zhí)行結(jié)束后，首先進(jìn)行中斷現(xiàn)場保護(hù)，包括非使能全局中斷控制位GIE、清除中斷標(biāo)記位、當(dāng)前PC值壓棧等，然后轉(zhuǎn)到中斷向量入口地址執(zhí)行；模擬運(yùn)行至服務(wù)程序出口時(shí)恢復(fù)現(xiàn)場，返回被中斷位置繼續(xù)執(zhí)行。

圖6 中斷響應(yīng)過程

3 外設(shè)模擬

外設(shè)模擬是模擬器開發(fā)中必不可少的部分，同時(shí)外設(shè)模擬機(jī)制的選擇對模擬器性能有著重要的影響。TMS320C3x共有3種外設(shè)：定時(shí)器、串口和DMA［11］，但不同型號的外設(shè)數(shù)量不同，具體情況見表1。

不同程序使用的外設(shè)可能不同，模擬器可根據(jù)VTEST提供的相關(guān)配置信息僅對程序?qū)嶋H使用的外設(shè)進(jìn)行模擬。為降低外設(shè)模擬對模擬器性能的影響，設(shè)計(jì)TMS320C3x模擬器時(shí)采用了事件驅(qū)動方式來控制外設(shè)運(yùn)行，即模擬器運(yùn)行中需要外設(shè)響應(yīng)時(shí)才觸發(fā)外設(shè)模擬操作，而非每條指令執(zhí)行后實(shí)時(shí)更新外設(shè)狀態(tài)。

表1 TMS320C3x外設(shè)配置

3.1 定時(shí)器

定時(shí)器通過3個(gè)映射到內(nèi)存的寄存器實(shí)現(xiàn)定時(shí)控制，它們分別是周期寄存器、計(jì)數(shù)寄存器和全局控制寄存器。周期寄存器用于設(shè)置定時(shí)周期，計(jì)數(shù)寄存器中是增量計(jì)數(shù)器的當(dāng)前值，該值與周期寄存器的值相等時(shí)清零并觸發(fā)定時(shí)中斷。全局控制寄存器中有3個(gè)控制位：和GO，控制定時(shí)器運(yùn)行在脈沖或時(shí)鐘模式，控制定時(shí)器的使能位，該位在使能狀態(tài)下定時(shí)器才運(yùn)行，GO用于重置計(jì)數(shù)寄存器并啟動定時(shí)器運(yùn)行。如果定時(shí)器已經(jīng)在運(yùn)行，那么修改或GO控制位均會影響定時(shí)事件的到達(dá)時(shí)刻。定時(shí)器有兩種基本工作模式：脈沖和時(shí)鐘，兩種模式下時(shí)鐘周期的計(jì)算公式分別如下：

T脈沖模式＝ 周期寄存器／f（定時(shí)器時(shí)鐘周期）；

T時(shí)鐘模式＝ （2＊周期寄存器）／f（定時(shí)器時(shí)鐘周期）；

基于VTEST的模擬器定時(shí)機(jī)制如圖7所示，模擬器根據(jù)VTEST設(shè)定的時(shí)序周期在執(zhí)行過程中定期向VTEST發(fā)送當(dāng)前的時(shí)序信息，定時(shí)器使能后，向VTEST發(fā)送定時(shí)啟動請求，由VTEST計(jì)算并反饋定時(shí)到達(dá)時(shí)刻，虛擬定時(shí)器對到達(dá)的定時(shí)事件處理后再向模擬器發(fā)送相應(yīng)的中斷請求。為描述基于VTEST的定時(shí)機(jī)制的模擬過程，我們定義下面幾個(gè)變量：

Tb：向VTEST發(fā)送定時(shí)請求時(shí)模擬器運(yùn)行時(shí)刻；

Tc：當(dāng)前模擬器運(yùn)行時(shí)刻；

Tp：定時(shí)周期；

Te：定時(shí)事件到達(dá)時(shí)刻；

這幾個(gè)變量之間的關(guān)系如圖8所示，其中Te＝Tb＋Tp；模擬器向VTEST發(fā)送當(dāng)前的Tc信息，當(dāng)Tc等于Te時(shí)VTEST發(fā)送定時(shí)到達(dá)消息，并設(shè)置此時(shí)的Te為下一次定時(shí)周期的Tb，再次經(jīng)過Tp后將到達(dá)下一次的Te，如此循環(huán)往復(fù)，直至定時(shí)器非使能或模擬器停止。

采用事件驅(qū)動方式進(jìn)行定時(shí)模擬時(shí)，由于沒有直接使用計(jì)數(shù)寄存器，所以未對其值進(jìn)行實(shí)時(shí)更新，但有時(shí)需要使用該值 （如利用VTEST調(diào)試時(shí)），因此虛擬定時(shí)器還要求具備根據(jù)定時(shí)狀態(tài)逆向計(jì)算計(jì)數(shù)寄存器值的能力，計(jì)算公式如下

3.2 串 口

TMS320C3x為每個(gè)串口提供了八個(gè)映射到內(nèi)存的寄存器：全局控制寄存器、兩個(gè)I／O引腳控制寄存器、3個(gè)發(fā)送／接收定時(shí)寄存器、數(shù)據(jù)發(fā)送寄存器和數(shù)據(jù)接收寄存器。在全局控制寄存器的控制下，串口按照發(fā)送／接收定時(shí)寄存器設(shè)定的頻率通過接收和發(fā)送寄存器收發(fā)數(shù)據(jù)。串口發(fā)送／接收的定時(shí)原理與定時(shí)器相同，因此可用上節(jié)所述方法模擬串口；但與定時(shí)器不同的是，定時(shí)器的計(jì)數(shù)和周期寄存器是32位寄存器，串口收發(fā)定時(shí)用的是16位周期和計(jì)數(shù)寄存器。

3.3 DMA

TMS320C3x的DMA通道具有4個(gè)寄存器：控制寄存器、源地址寄存器、目的地址寄存器和傳輸計(jì)數(shù)寄存器。DMA的工作模式有4種：讀同步、寫同步、讀寫同步和無同步，可通過控制寄存器的SYNC（同步模式）位進(jìn)行設(shè)置。對于前3種同步方式，DMA是在中斷事件的驅(qū)動下進(jìn)行某種操作，因此可在中斷響應(yīng)模擬時(shí)進(jìn)行DMA模擬；對于無同步模式，可利用VTEST創(chuàng)建一個(gè)周期定時(shí)器，在每次定時(shí)事件到達(dá)時(shí)進(jìn)行DMA模擬。

4 實(shí) 驗(yàn)

為驗(yàn)證模擬器的性能，使用航天某型號的測距軟件對模擬器性能進(jìn)行了測試，處理器主頻為40MHz，內(nèi)存等待周期為4。實(shí)驗(yàn)所用計(jì)算機(jī)的處理器主頻為3.00GHz，型號是IntelCoreTM2Quad CPU Q9650，內(nèi)存大小是4G，操作系統(tǒng)是 Windows XP。通過實(shí)驗(yàn)，測試了模擬器的速度，并先后設(shè)定了不同的定時(shí)周期來實(shí)驗(yàn)?zāi)M中斷和外設(shè)對模擬器性能的影響，結(jié)果如圖9所示。

圖9 模擬器性能的影響

從圖中可以看出，隨著定時(shí)周期的縮短，模擬器的仿真速度會逐步下降。在定時(shí)器非使能情況下，模擬器仿真速度可達(dá)234MHz，但在定時(shí)周期為10us時(shí)，仿真速度僅為36MHz，造成這種情況的原因有3個(gè)：一是定時(shí)周期越短，VTEST要求模擬器發(fā)送時(shí)序信息的周期也越短，導(dǎo)致模擬器向VTEST發(fā)送時(shí)序信息的開銷大幅增加，對其性能產(chǎn)生了負(fù)面影響；二是由于虛擬定時(shí)器與模擬器工作在同一線程，定時(shí)事件頻繁到達(dá)，CPU搶占現(xiàn)象明顯；三是響應(yīng)中斷的次數(shù)增多，對模擬器性能產(chǎn)生了負(fù)面影響。

5 結(jié)束語

本文提出的雙線代碼指令模擬技術(shù)專門針對TMS320C3x指令尋址模式較多的特點(diǎn)，能夠兼顧指令模擬效率與模擬器開發(fā)的復(fù)雜度。同時(shí)，在設(shè)計(jì)模擬器時(shí)，充分利用了VTEST的擴(kuò)展功能，模擬器能夠根據(jù)相關(guān)配置信息僅對程序?qū)嶋H使用的外設(shè)進(jìn)行仿真，對于未使用的外設(shè)，其對模擬器性能的影響幾乎為0。依據(jù)本文方法設(shè)計(jì)的TMS320C3x模擬器已經(jīng)在航天型號軟件的測試中有所應(yīng)用，模擬器的速度能夠很好地滿足測試需求。但通過實(shí)驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)在中斷與外設(shè)觸發(fā)頻率較高情況下，模擬器性能會有所下降，因此中斷與外設(shè)模擬機(jī)制還存在一定的改進(jìn)空間。

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