基于X86 平臺(tái)的ARM 指令集模擬器的設(shè)計(jì)

賈少波

（西安財(cái)經(jīng)學(xué)院 信息與教育技術(shù)中心，陜西 西安 710061）

如今，仿真技術(shù)和虛擬技術(shù)被廣泛應(yīng)用各個(gè)領(lǐng)域，特別在嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，由于在不同應(yīng)用領(lǐng)域中，嵌入式開(kāi)發(fā)要求的硬件體系差別很大，用軟件進(jìn)行系統(tǒng)仿真或虛擬硬件非常必要。軟件仿真的重點(diǎn)是微控制器的仿真，而對(duì)微控制器的仿真重點(diǎn)又在指令仿真上，因此本文給出一種基于解釋型仿真策略的指令仿真器的實(shí)現(xiàn)。指令集仿真器（Instruction Set Simulator，ISS）是用來(lái)在宿主機(jī)仿真另一種目標(biāo)機(jī)上程序運(yùn)行過(guò)程的軟件工具。它通過(guò)仿真每條指令在目標(biāo)處理器上的執(zhí)行效果來(lái)仿真目標(biāo)機(jī)程序，是目標(biāo)處理器的軟件仿真器。在嵌入式軟硬件的并行開(kāi)發(fā)中，指令仿真器是必不可少的工具之一，在目標(biāo)機(jī)可用之前，通過(guò)它就可以完成軟件的仿真調(diào)試，真正做到了軟硬件的并行開(kāi)發(fā)。

1 ARM 體系架構(gòu)及指令集模擬技術(shù)

1.1 ARM 體系架構(gòu)

到目前為止，ARM 微處理器以其體積小、低功耗、低成本、高性能、指令執(zhí)行速度快、尋址方式靈活簡(jiǎn)單、執(zhí)行效率高、指令長(zhǎng)度固定等優(yōu)點(diǎn)幾乎已經(jīng)深入到各個(gè)領(lǐng)域。ARM處理器實(shí)現(xiàn)加載/存儲(chǔ)（load/store）體系結(jié)構(gòu)，是典型的RISC處理器。只有加載和存儲(chǔ)指令可以訪問(wèn)存儲(chǔ)器。數(shù)據(jù)處理指令支隊(duì)寄存器的內(nèi)容進(jìn)行操作，傳統(tǒng)的CISC（Complex Instruction Set Computer，復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)）技術(shù)的指令集隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展引入了各種各樣的復(fù)雜指令，已經(jīng)不堪重負(fù)。圖1 描述了ARM 微處理器的體系架構(gòu)。

1.2 指令集模擬技術(shù)

1.2.1 指令集模擬解釋型模擬技術(shù)

解釋型模擬器的模擬流程是參照硬件環(huán)境中的指令執(zhí)行，并不進(jìn)行任何執(zhí)行信息的服用，故執(zhí)行起來(lái)性能不高，愛(ài)目前主流配置的主機(jī)上的運(yùn)行性能能一般從幾十到幾百個(gè)KIPS（Kilo-Instructions Per-Second）。由于解釋型模擬器實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單，同時(shí)能夠提供足夠的模擬精度以及靈活性，但解釋型模擬器的模擬性能低下，故在對(duì)于模擬性能沒(méi)有特別高的要求下，采用這種模擬技術(shù)是非常優(yōu)越的。目前絕大部分商用的模擬器是解釋型模擬器。這類(lèi)模擬器的典型代表是Simple Scalar。

圖1 ARM 微處理器體系架構(gòu)圖Fig.1 ARM microprocessor architecture diagram

1.2.2 指令集模擬器動(dòng)態(tài)翻譯模擬技術(shù)

動(dòng)態(tài)翻譯模擬是在解釋型模擬技術(shù)基礎(chǔ)上的一種優(yōu)化，由于使用了緩存技術(shù)盡可能大的復(fù)用已解析的信息，提高了模擬的效率。模擬器的工作流程是：模擬一條指令，先核對(duì)這條指令是否存在于緩沖頁(yè)，如果是，則調(diào)用存儲(chǔ)中已有的解碼結(jié)果，實(shí)現(xiàn)模擬；如果沒(méi)有，則翻譯該指令并將結(jié)果緩存頁(yè)中備用，同時(shí)按照解釋型模擬的模式，繼續(xù)進(jìn)行。由于啟動(dòng)模擬編譯器的系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)較大，為了提高性能，每次啟動(dòng)模擬編譯器完成若干條指令的翻譯，為了處理方便，每次編譯的指令數(shù)是固定的，稱(chēng)為一個(gè)“翻譯頁(yè)”。在動(dòng)態(tài)翻譯模擬技術(shù)中，翻譯和模擬的過(guò)程耦合度較低，可以分配給不同的線程完成，或結(jié)合多核技術(shù)，將代碼的執(zhí)行工作分配給幾個(gè)CPU 同時(shí)來(lái)執(zhí)行，來(lái)提高模擬速度。目前采用動(dòng)態(tài)翻譯技術(shù)的應(yīng)用的較好的模擬器有Intel IA-32 Execution Layer 等[1]。

2 ARM 指令集模擬器的設(shè)計(jì)

2.1 ARM 指令集模擬器系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)

本模擬器的主要功能是模擬ARM 處理器對(duì)指令集的處理能力，當(dāng)把內(nèi)容為ARM 指令的二進(jìn)制BIN 文件輸入時(shí)，可以模擬在真實(shí)ARM 處理器上的運(yùn)行效果。由圖2 指令集模擬器的總體架構(gòu)圖可以看出一個(gè)應(yīng)用程序在運(yùn)行的時(shí)候和指令集模擬器之間的關(guān)系。一個(gè)應(yīng)用程序在經(jīng)過(guò)ARM 交叉編譯器編譯生成基于ARM 指令集的二進(jìn)制可執(zhí)行文件，可執(zhí)行文件進(jìn)入ARM 指令集模擬器內(nèi)核被解釋執(zhí)行，最后得到運(yùn)行后的結(jié)果。

圖2 指令集模擬器總體架構(gòu)圖Fig.2 Architecture instruction set simulator

其中模擬器內(nèi)核是整個(gè)模擬器的核心部分，也是本文將要重點(diǎn)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的部分。它主要包含一下功能：對(duì)可執(zhí)行文件的加載，執(zhí)行取指令、指令譯碼、指令模擬執(zhí)行的三級(jí)流水和解析結(jié)果的展示。在模擬器內(nèi)核設(shè)計(jì)部分，模擬指令執(zhí)行的過(guò)程是內(nèi)核的核心部分，在本模擬器設(shè)計(jì)中，借鑒CPU模型中的指令流水設(shè)計(jì)內(nèi)核翻譯程序的取指、譯碼和指令執(zhí)行3個(gè)過(guò)程。圖3 描述了指令集模擬器內(nèi)核的總體架構(gòu)。如圖所示，整個(gè)內(nèi)核包含程序加載模塊、指令譯碼模塊、取指模塊、指令調(diào)度與模擬模塊、寄存器模擬模塊和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊。在此模擬器中，存儲(chǔ)模塊不做實(shí)現(xiàn)，調(diào)用gdb 中的相應(yīng)模塊[2-3]。

圖3 指令集模擬器內(nèi)核總體架構(gòu)圖Fig.3 Instruction set simulator kernel architecture diagram

2.2 ARM 指令集模擬器的流程設(shè)計(jì)

本模擬器是按照解釋型模擬器的模擬策略設(shè)計(jì)的。解釋型指令集模擬器基本上是以軟件實(shí)現(xiàn)的虛擬機(jī)，它以解釋的形式在宿主機(jī)上執(zhí)行加載的目標(biāo)代碼，它的主體是一個(gè)具有3 步過(guò)程的循環(huán)體，分別對(duì)應(yīng)取指令、指令譯碼、指令執(zhí)行3步操作。因此本ARM 指令集模擬器的核心流程就是加載程序，之后進(jìn)入讀取指令、指令譯碼和指令執(zhí)行的循環(huán)體中，當(dāng)所有目標(biāo)代碼都執(zhí)行之后結(jié)束并顯示運(yùn)行結(jié)果。整個(gè)流程如圖4 指令模擬器的工作流程所示。

圖4 指令集模擬器工作流程圖Fig.4 Instruction set simulators work flow chart

2.3 ARM 指令集模擬器的主要功能模塊設(shè)計(jì)

2.3.1 指令譯碼模塊

指令譯碼模塊的功能就是根據(jù)ARM 指令集編碼，將要執(zhí)行的二進(jìn)制指令譯碼成操作碼、操作數(shù)、條件碼等指令模擬需要的信息。指令集模擬器的每一模擬步模擬一條指令的取指令、譯碼、執(zhí)行等各個(gè)階段，因此指令集模擬器中的指令譯碼與實(shí)際ARM 處理器的譯碼并不是完全對(duì)應(yīng)，同時(shí)也不會(huì)影響模擬的正確性。

在指令譯碼模塊中，本文采用分類(lèi)的思想，將指令集按照一定的規(guī)律進(jìn)行分類(lèi)解析，逐步解析，找到最終指令所對(duì)應(yīng)的解析函數(shù)。這樣做的目的是為了減少判斷指令時(shí)的條件判斷次數(shù)，采用分治的思想提高指令譯碼的效率[2]。不過(guò)要想對(duì)指令譯碼效率有顯著性的提高，還是要采用改進(jìn)型的工作流程，主要原因是在指令譯碼的過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)大量的重復(fù)譯碼，所以改進(jìn)型的工作流程中提出的指令緩存技術(shù)會(huì)很好的提高譯碼效率，減少重復(fù)的譯碼工作[4]。

2.3.2 指令模擬與調(diào)度模塊

指令模擬與調(diào)度功能模塊是指令集模擬器的核心部分，也是實(shí)現(xiàn)代碼量最大的部分，主要包括與虛擬指令集定義對(duì)應(yīng)的一系列指令模擬函數(shù)、指令執(zhí)行控制函數(shù)、指令翻譯調(diào)度函數(shù)、中斷處理函數(shù)以及一些公用函數(shù)。指令執(zhí)行控制函數(shù)負(fù)責(zé)控制整個(gè)模擬過(guò)程，反匯編結(jié)果文件加載完畢后，程序就進(jìn)入核心部分的模擬循環(huán)；指令翻譯調(diào)度函數(shù)負(fù)責(zé)將目標(biāo)指令轉(zhuǎn)化為虛擬指令形式，然后指令模擬函數(shù)按照相應(yīng)指令的功能定義完成指令的模擬，模擬結(jié)果是修改存儲(chǔ)器、寄存器值；公用函數(shù)主要包括尋址方式判別、指令操作數(shù)分析、指令條件碼判別、移位操作、ALU 操作以及寄存器訪問(wèn)等。

指令模擬與調(diào)度的循環(huán)過(guò)程如下：

1）取指令

該模擬器的輸入是二進(jìn)制可執(zhí)行文件，因此取指令時(shí)，根據(jù)PC 值取得的當(dāng)前的指令，進(jìn)行譯碼。

2）翻譯

調(diào)用指令翻譯函數(shù)獲得虛擬指令。

3）調(diào)度

根據(jù)指令類(lèi)型，調(diào)用相應(yīng)的指令模擬函數(shù)。

4）執(zhí)行

指令模擬函數(shù)對(duì)指令進(jìn)行模擬。

5）中斷檢測(cè)與調(diào)度

為了對(duì)中斷系統(tǒng)進(jìn)行模擬，本文定義了對(duì)應(yīng)于FIQ、IRQ 的標(biāo)志變量，可以改變他們來(lái)模擬外部中斷輸入，每條指令模擬結(jié)束后，必須檢測(cè)上述兩個(gè)標(biāo)志，如果檢測(cè)到中斷發(fā)生，則調(diào)用相應(yīng)的異常進(jìn)入函數(shù)，PC 被設(shè)定為中斷服務(wù)程序入口地址。

6）更新PC 值

如果本次循環(huán)沒(méi)有發(fā)生指令跳轉(zhuǎn)、加載PC 及中斷，PC 順序移向下一條指令。

2.4 ARM 指令集模擬器的內(nèi)核設(shè)計(jì)

模擬器內(nèi)核結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

2.4.1 內(nèi)核解碼模塊設(shè)計(jì)

指令模擬器內(nèi)核中的解碼模塊包括取指令模型和指令轉(zhuǎn)換模型兩部分內(nèi)容，取指令模型介紹了內(nèi)核程序如何從加載的目標(biāo)代碼中取出逐條指令，指令轉(zhuǎn)換模型介紹了取出的逐條指令是如何轉(zhuǎn)換成中間語(yǔ)言指令來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

圖5 模擬器內(nèi)核結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Simulator kernel structure

1）取指令模型

本文設(shè)計(jì)的模擬器中取指令模型結(jié)構(gòu)如圖6 所示，包括指令計(jì)數(shù)器、指令格式解析器、指令格式解析器、取指令邏輯控制器和指令地址更新邏輯。指令計(jì)數(shù)器是處理器都會(huì)有的一個(gè)寄存器。不同的處理器有不同的表現(xiàn)形式。

圖6 取指令模型圖Fig.6 Fetch model diagram

2）指令的轉(zhuǎn)換模型

指令譯碼就是根據(jù)ARM 指令集編碼，將要執(zhí)行的指令譯成操作碼、操作數(shù)、條件碼等指令仿真需要的信息。譯碼的重點(diǎn)在于獲取不同尋址方式下的操作數(shù)，通過(guò)分析指令字助記符和指令碼，可以很方便地得到不同尋址方式的操作數(shù)[3]。由于本文設(shè)計(jì)的指令集虛擬模擬ARM 的指令集，所以加入指令轉(zhuǎn)換模型，指令轉(zhuǎn)換是將一條目標(biāo)機(jī)器指令轉(zhuǎn)換為一條或幾條中間可執(zhí)行指令集的過(guò)程。轉(zhuǎn)換工作由指令轉(zhuǎn)換器完成。其工作模型如圖7 所示，一條源指令經(jīng)過(guò)指令譯碼模塊翻譯，生成一系列的中間語(yǔ)言隊(duì)列，在本模擬器中，中間語(yǔ)言就是能在X86 平臺(tái)上運(yùn)行的匯編語(yǔ)言。

圖7 指令譯碼模型Fig.7 Instruction decoding model

2.4.2 內(nèi)核指令模擬與調(diào)度模塊

指令調(diào)度就是把指令字與完成相應(yīng)操作的功能函數(shù)對(duì)應(yīng)起來(lái)，使得仿真時(shí)取到該指令后能知道該調(diào)用哪個(gè)執(zhí)行過(guò)程。本文是基于傳統(tǒng)的解釋型仿真策略，其主體是一個(gè)大的switch 結(jié)構(gòu)，并使用case 語(yǔ)句。這種設(shè)計(jì)模型會(huì)影響模擬速度，由于case 語(yǔ)句的種類(lèi)非常多，所以在今后的工作中，這里將會(huì)是一個(gè)重點(diǎn)的研究對(duì)象，可以采用hash 結(jié)構(gòu)、壓縮算法或者指令緩存來(lái)提高指令譯碼的執(zhí)行效率，這也將會(huì)是模擬器的整體執(zhí)行效率得到一個(gè)很大的提高。

指令模擬執(zhí)行模塊把指令分類(lèi)處理并采用數(shù)據(jù)獲取和數(shù)據(jù)操作相分離的方法，使得執(zhí)行函數(shù)更具有通用性，當(dāng)新的指令系統(tǒng)添加時(shí)，只需要添加相應(yīng)的尋址方式和原系統(tǒng)中沒(méi)有的指令執(zhí)行過(guò)程，就能完成添加指令集的操作，提高了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可擴(kuò)展性[5-6]。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文是針對(duì)嵌入式開(kāi)發(fā)現(xiàn)階段的主要存在的問(wèn)題，即傳統(tǒng)低下的開(kāi)發(fā)效率和當(dāng)下對(duì)較短市場(chǎng)開(kāi)發(fā)周期的要求之間的矛盾，提出了ARM 指令集模擬器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法。以及對(duì)指令集模擬技術(shù)的介紹和掌握。目前，與嵌入式系統(tǒng)相關(guān)的軟件開(kāi)發(fā)復(fù)雜度越來(lái)越高，因此指令集模擬器的發(fā)展前景十分樂(lè)觀。

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