80C51虛擬指令執(zhí)行系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

摘要：文中以80C51的體系結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)為基礎(chǔ)，設(shè)計并實現(xiàn)了虛擬80C51指令執(zhí)行系統(tǒng)，包括虛擬指令執(zhí)行器和虛擬存儲器。這種設(shè)計方法適用于存儲空間和指令規(guī)模與80C51相似的單片機指令系統(tǒng)，也可根據(jù)需要，增加對80C51單片機的虛擬范圍。
關(guān)鍵字：80C51；虛擬；指令系統(tǒng)

0 引言
    在進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)開發(fā)時，通常是在宿主機上通過交叉編譯方式生成目標(biāo)機平臺的二進(jìn)制代碼，然后將其寫入目標(biāo)機中運行，這種開發(fā)方法的一個缺點是不易調(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上調(diào)試源代碼的功能。要讓目標(biāo)機平臺的二進(jìn)制代碼能夠在宿主機上運行，必須提供一個虛擬的能夠執(zhí)行目標(biāo)機指令的系統(tǒng)。本文以80C51單片機為目標(biāo)機，基于X86平臺的PC機為宿主機，給出了一種在宿主機上構(gòu)造虛擬目標(biāo)機指令執(zhí)行系統(tǒng)的方法。

1 虛擬指令執(zhí)行系統(tǒng)簡介
    本文所述的80C51虛擬指令執(zhí)行系統(tǒng)是指用軟件來模擬80C51指令的執(zhí)行過程和執(zhí)行效果，它主要由虛擬指令執(zhí)行器和虛擬存儲器組成。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)行過程分為取指令、分析指令和執(zhí)行指令三個階段，模擬這三個階段的操作并虛擬出指令的執(zhí)行效果。虛擬存儲系統(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體系中存儲器的結(jié)構(gòu)為依據(jù)，虛擬出存儲器空間和寄存器，并提供了虛擬指令執(zhí)行器訪問虛擬存儲器的接口。
    圖1是虛擬80C51指令執(zhí)行系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖，同時圖1也顯示了系統(tǒng)運行的三個基本過程：

    (1)加載二進(jìn)制文件到虛擬存儲器的ROM中
    (2)虛擬指令執(zhí)行器周期性地從虛擬存儲器的ROM中取指令、分析指令并且執(zhí)行指令
    (3)指令在執(zhí)行過程中通過讀寫虛擬存儲器中的內(nèi)存和寄存器來反映指令執(zhí)行效果
    顯然，上述過程是圍繞著虛擬指令執(zhí)行器和虛擬存儲器進(jìn)行的。

2 虛擬存儲器的設(shè)計與實現(xiàn)
    加載過程和虛擬指令執(zhí)行器都依賴于虛擬存儲器，因此先介紹虛擬存儲器的實現(xiàn)是必要的。從訪問的角度分析，寄存器和存儲器具有同樣的屬性，可以使用類似的實現(xiàn)方法虛擬它們。本文虛擬存儲器的范圍包括虛擬的存儲空間和寄存器。
2．1 虛擬80C51存儲空間
    80C51的存儲空間除了有ROM和RAM之分，還有片內(nèi)和片外之分。80C51指令在執(zhí)行的時候訪問的數(shù)據(jù)可以存在于以下四種類型的存儲單元中：片內(nèi)ROM，片外ROM，片內(nèi)RAM，片外RAM，它們的地址空間見表1。

    各個存儲空間的容量都較小，可以通過開辟相應(yīng)大小的不同數(shù)組來虛擬存儲空間：
 
    虛擬存儲器除了要虛擬出存儲空間，還要提供訪問的接口：讀存儲單元和寫存儲單元。在讀寫存儲單元時需要指出存儲單元的類型。
  
    使用這兩個接口，虛擬指令執(zhí)行器在執(zhí)行指令時可以方便地訪問虛擬存儲器。
2．2 虛擬80C51寄存器
    80C51的寄存器可以分為三類：特殊寄存器(SFR)，工作寄存器(R0～R7)，程序計數(shù)器(PC)，虛擬系統(tǒng)對這三種寄存器有不同的虛擬方式和訪問方式。
    1)特殊寄存器的虛擬和訪問
    80C51的特殊寄存器的地址空間范圍是0x80～0xFF，每一個特殊寄存器在這個地址空間中有一個確定的地址，從虛擬角度可以認(rèn)為特殊寄存器和RAM具有類似的訪問特點，因此可以使用虛擬存儲器的方法來虛擬特殊寄存器：
 
    這樣，可以使用虛擬存儲器提供的讀寫接口來訪問特殊寄存器。
    2)工作寄存器的虛擬和訪問
    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，見表2。圖2給出了訪問工作寄存器Rn的流程。

    3)PC寄存器的虛擬和訪問
    80C51的程序計數(shù)器PC是一個16位寄存器，在指令執(zhí)行過程中被CPU改變。PC寄存器對用戶是透明的，也即PC寄存器沒有映射到存儲器的地址空間中，不能借助虛擬存儲器的讀寫接口來訪問PC，需要單獨虛擬一個16位的PC寄存器，并且提供讀寫的接口：
  

3 虛擬指令執(zhí)行器的設(shè)計與實現(xiàn)
    一般地，CPU總是不停的取指令、分析指令、執(zhí)行指令，虛擬指令執(zhí)行器執(zhí)行同樣的過程，它以模擬上述三個階段的操作為核心，并模擬出80C51指令系統(tǒng)中每條指令的執(zhí)行效果。圖4給出了虛擬指令執(zhí)行器的總體設(shè)計。

    可以看出，虛擬指令執(zhí)行器的工作流程分為三個階段：取指令階段、分析指令階段和執(zhí)行指令階段。
3．1 取指令階段
    虛擬的指令執(zhí)行系統(tǒng)每一周期根據(jù)PC的值從虛擬的ROM中取將要執(zhí)行的指令。在虛擬指令執(zhí)行器執(zhí)行指令之前，必須將硬盤上的二進(jìn)制文件(hex文件格式)加載到虛擬的ROM中，作為指令執(zhí)行器的輸入。裝載的過程按照如下描述完成：解析二進(jìn)制文件的內(nèi)容，將指令存放在指定的ROM地址處。加載完成后還需要將PC寄存器的值設(shè)置為第一條要執(zhí)行的指令的地址。
    虛擬的指令執(zhí)行系統(tǒng)每次取的指令長度是不確定的。80C51的指令長度不是固定的，分為單字節(jié)、雙字節(jié)和三字節(jié)指令三種，因此取一條指令時需要確定該條指令的長度。通過分析80C51的指令表可以得到，任何一條指令第一個字節(jié)都是唯一的。利用這個特點，可以建一個該字節(jié)到指令長度的映射表。取指令時，先從PC所指地址處取第一個字節(jié)，然后通過查詢映射表再取相應(yīng)的字節(jié)數(shù)。取指成功后需要更新PC值，使PC就指向下條指令的地址。
    為了后續(xù)兩個階段的使用，需要將取到的指令存放在一個緩沖區(qū)中。80C51的最長指令為3個字節(jié)，因此可以使用一個3個字節(jié)長度的數(shù)組存放取到的指令，比如unsigned char inst，將取到的指令按順序填充到inst中。
3．2 分析指令階段
    一條指令包括操作碼和操作數(shù)，操作碼決定該條指令對操作數(shù)執(zhí)行什么樣的動作。分析指令階段需要從取到的指令中解析出操作碼和操作數(shù)。解析的過程為，假設(shè)指令已經(jīng)取到inst中，從虛擬指令執(zhí)行器的角度可以認(rèn)為指令的第一個字節(jié)為操作碼，即inst[0]，操作數(shù)分別存在inst[1]和inst[2]中，根據(jù)操作碼到指令長度的映射表確定操作數(shù)的個數(shù)。
    解析出指令碼和操作數(shù)后，就需要根據(jù)操作碼來調(diào)用該指令對應(yīng)的執(zhí)行函數(shù)。每條指令都有自己的執(zhí)行動作，可以為每條指令設(shè)計一個執(zhí)行函數(shù)來模擬該指令的執(zhí)行動作。指令操作碼和指令執(zhí)行函數(shù)也是一一對應(yīng)的，所以虛擬系統(tǒng)中會有指令操作碼到指令執(zhí)行函數(shù)的映射表，當(dāng)分析出指令的操作碼后，就能快速地調(diào)用該指令的執(zhí)行函數(shù)來模擬該指令的語義動作。比如，取到的指令為e580，按照前面所述，0xe5為操作碼，存放在inst[0]中，0x80為操作數(shù)，存放在inst[1]中，通查指令表可知0xe5對應(yīng)的匯編指令為MOV A，direct，為這條指令設(shè)計一個執(zhí)行函數(shù)mov_a_direct0，虛擬的指令執(zhí)行系統(tǒng)在執(zhí)行指令e580時，實際上就是調(diào)用其執(zhí)行函數(shù)mov_a_direct 0。
3．3 執(zhí)行指令階段
    指令的執(zhí)行動作是通過調(diào)用指令的執(zhí)行函數(shù)來完成的。指令的執(zhí)行函數(shù)是對該條指令的實際執(zhí)行動作的模擬，主要包括對寄存器、內(nèi)存的訪問，以及對程序狀態(tài)字中標(biāo)志位的影響等。比如上面介紹的操作碼為0xe5的指令，該指令對應(yīng)的匯編指令為MOV A，direct，其意義為將direct中的內(nèi)存數(shù)存放在寄存器A中，并且改變PSW中的P標(biāo)志位，該指令的執(zhí)行函數(shù)mov_a_direct 0實際上就是對上面描述的實現(xiàn)。
   
   
    80C51指令系統(tǒng)共有111條指令，虛擬指令執(zhí)行器為每條指令都設(shè)計一個類似的執(zhí)行函數(shù)。這些指令可以分為幾類：數(shù)據(jù)傳送指令、算術(shù)運算指令、邏輯運算和移位指令、控制轉(zhuǎn)移指令和位操作指令。在設(shè)計執(zhí)行函數(shù)時有一些需要注意的地方：算術(shù)運算指令需要注意運算對PSW的標(biāo)志位的影響，控制轉(zhuǎn)移指令需要精確改變PC寄存器的值等。

4 結(jié)束語
    本文詳細(xì)介紹了虛擬80C51指令執(zhí)行系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，文章給出的方法也適用于存儲空間和指令規(guī)模與80C51相似的單片機指令系統(tǒng)。虛擬指令執(zhí)行系統(tǒng)是虛擬目標(biāo)機其他功能的基礎(chǔ)，有廣泛的應(yīng)用，比如可以構(gòu)造出基于虛擬指令執(zhí)行系統(tǒng)的目標(biāo)機代碼調(diào)試器等。另外根據(jù)應(yīng)用需要．也可增加對80C51單片機的虛擬范圍，比如實現(xiàn)對中斷和I／O等的虛擬。