高杰

（南昌大學共青學院 信息工程系，九江 332020）

引 言

從RISC到CISC的目的就是使得在CISC上運行的程序（OS＋APP）能夠運行在RISC的體系結(jié)構(gòu)上，轉(zhuǎn)化過程包括指令解碼、為OS建立運行環(huán)境等。嵌入式跨平臺體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。RISC體系結(jié)構(gòu)的CPU有ARM處理器、MIPS處理器、龍芯、Godson等，CISC的平臺主要有X86系列。首先要完成的指令解碼包括ARM到X86（簡稱A2X86）、MIPS到 X86（簡稱 M2X86）、龍芯到 X86（簡稱D2X86）、Godson到X86（簡稱G2X86）。其次要完成BIOS功能。眾所周知，CISC上運行OS需要BIOS的支持，因此需要在指令解碼上一層為OS建立BIOS，即需要一個Vbios來支撐OS的運行。

1 基本理論

1.1 嵌入式跨平臺虛擬軟件概述

圖1 嵌入式跨平臺體系結(jié)構(gòu)

龍芯2E體系結(jié)構(gòu)和X86（在本文中所指定的X86主要包括8086、80286、80386、80486）的體系結(jié)構(gòu)有很大的差別，包括指令操作碼不同、尋址方式不同、內(nèi)存管理不同、中斷處理機制不同等。從應(yīng)用架構(gòu)上看，其結(jié)構(gòu)方式也不一樣，X86CPU體系結(jié)構(gòu)經(jīng)過多年的發(fā)展已經(jīng)形成了一套運行微軟操作系統(tǒng)的標準。支持X86CPU的軟件也有自己的規(guī)范和要求，X86下的軟件非常豐富也很成熟，包括OS和應(yīng)用軟件在內(nèi)的軟件都是根據(jù)X86的架構(gòu)設(shè)計的，所以這些軟件很難移植到像龍芯這樣的體系結(jié)構(gòu)上。鑒于此，在龍芯2E硬件層上設(shè)計一個軟件層虛擬機程序，讓龍芯2ECPU上能夠運行X86下的OS和應(yīng)用程序。具體的運行過程是，讓虛擬機程序能夠在系統(tǒng)加電后開始運行，來解析X86下的程序，從而使X86下的程序能夠運行在龍芯2E體系結(jié)構(gòu)上。解釋X86程序的軟件叫Vx86虛擬機。簡單地說，Vx86虛擬機要完成的功能就是在龍芯2E的體系結(jié)構(gòu)上建立一個可以運行X86程序的X86虛擬硬件環(huán)境?？缙脚_虛擬機層次結(jié)構(gòu)如圖2所示。

龍芯2E沒有像X86下BIOS那樣一個標準的初始化程序，它是由一個bootloader來完成初始化的。龍芯虛擬X86CPU需要完成以下幾個模塊：bootloader初始化程序、VBIOS程序、Vx86虛擬機程序。Vx86虛擬機在龍芯2E上的啟動過程如圖3所示。首要的任務(wù)是完成語言的識別和CPU處理的模擬，X86實現(xiàn)了在RISC的處理器上虛擬一個軟件X86處理器模型，包括其所有寄存器和運算、取指、加載、計算、保存結(jié)果的指令流水線，同時還翻譯所有X86系列的語言——X86二進制機器碼。

圖2 跨平臺虛擬機的層次結(jié)構(gòu)

圖3 Vx86虛擬機在龍芯2E上的啟動過程

1.2 嵌入式跨平臺虛擬機開發(fā)環(huán)境

虛擬機的開發(fā)使用開源的開發(fā)環(huán)境，虛擬機是和操作系統(tǒng)無關(guān)的，所以在選擇開發(fā)環(huán)境時只需要選擇和硬件相關(guān)的開發(fā)環(huán)境即可，在這里使用龍芯2E的開源的 MIPS GCC編譯器，版本號3.4.6。編譯器運行在Linux操作系統(tǒng)下。開發(fā)語言選用C語言和MIPS匯編語言。

1.3 VBIOS

VBIOS是為了運行X86OS來初始化Vx86的BIOS程序。VBIOS的功能和X86BIOS的功能相同，是在Vx86運行起來的，其功能就是測試和初始化基本的外圍設(shè)備，初始化完成后就去引導操作系統(tǒng)。

2 嵌入式跨平臺虛擬機CPU虛擬設(shè)計

2.1 虛擬機CPU虛擬設(shè)計概述

CPU的虛擬就是用軟件仿真一個X86的CPU，主要的設(shè)計有CPU處理器虛擬設(shè)計、寄存器虛擬設(shè)計、中斷虛擬設(shè)計、取指虛擬設(shè)計、解碼虛擬設(shè)計5大模塊。Vx86 2.0設(shè)計中，這些設(shè)計相互間聯(lián)系緊密，沒有進行絕對的劃分，下面將其揉合到一起來說明。

CPU虛擬中的功能包括了中斷檢查、取指和指令執(zhí)行等幾大模塊，CPU虛擬中斷程序流程如圖4所示。

圖4 CPU虛擬中斷程序流程

在虛擬CPU的無限循環(huán)中，每次在取指和指令執(zhí)行前都要進行中斷檢查，如果有中斷到達，就先進行中斷處理，處理結(jié)束后再回到中斷時的位置繼續(xù)執(zhí)行。在這些過程中要虛擬真實CPU的取指令、譯碼指令、中斷管理、內(nèi)存管理等過程。下面定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是為了完成CPU虛擬的核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

2.2 CPU模塊虛擬

Vx86在設(shè)計時采用了動態(tài)翻譯的設(shè)計方法。虛擬機每次取指后，將取回的指令翻譯成指令虛擬函數(shù)，接著執(zhí)行這些翻譯后的虛擬函數(shù)，執(zhí)行后將翻譯后結(jié)果保存在全局結(jié)構(gòu)中，以方便下次使用。下一次CPU遇到同樣的地址時，先到保存的緩存區(qū)中查找，如果找到就直接從保存的全局緩沖區(qū)中使用，如果沒有找到就去重新翻譯。這樣的設(shè)計方法可大大提高虛擬機執(zhí)行速度。

2.3 虛擬機取指和翻譯虛擬

CPU的取指主要靠CS和IP／EIP來實現(xiàn)，在完成虛擬機時需要用軟件模擬CPU的取指過程。在保護模式下取指需要解決如下的問題：

①段式管理。

②頁式管理。

③指令跨頁問題。由于在80386模式下有頁式管理，頁式管理時把物理內(nèi)存分成了大小相同的4KB塊。線性地址會把不連續(xù)的4KB物理內(nèi)存映射到連續(xù)的線性地址空間，所以在虛擬時就要解決指令跨頁問題。

④指令指針移動問題。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計說明書可知，80386的指令最長可達16字節(jié)，指令不定長，所以每次在取指完要對eip進行修改。

⑤判斷訪問的物理內(nèi)存是否越界。解碼虛擬主要完成的工作是根據(jù)80386的指令結(jié)構(gòu)特點，將指令中的各個字段解析出來，然后根據(jù)各個指令碼的特點尋找指令虛擬函數(shù)。根據(jù)需求分析和系統(tǒng)設(shè)計可知，指令結(jié)構(gòu)由指令碼前綴、指令碼、MOD－REG－R／M、SCALE－INDEX－BASE、偏移量、立即數(shù)幾部分組成。

3 嵌入式平臺虛擬機的bootloader設(shè)計

3.1 bootloader概述

在嵌入式系統(tǒng)中，bootloader是芯片復位后執(zhí)行的一段代碼，這段代碼完成硬件的檢測與初始化、設(shè)置系統(tǒng)運行環(huán)境、引導OS，作用與PC啟動時的BIOS相當。bootloader的執(zhí)行可以分成兩個階段，一是boot，二是loader。前一階段與平臺硬件緊密相關(guān)，用匯編語言來實現(xiàn)；后一階段與平臺無關(guān)，用C語言來實現(xiàn)，使代碼具有更好的可讀性和可移植性。與其他bootloader不同的是，本文的bootloader不是引導OS，而是引導Vx86虛擬機，并且與Vx86虛擬機一起編譯到一個BIN文件中，再下載到開發(fā)板上的Flash上。因此，引導時把Vx86虛擬機拷貝到RAM中，再跳轉(zhuǎn)執(zhí)行就可以了。

設(shè)計bootloader首先要先了解目標平臺的CPU特點、異常處理、存儲映射關(guān)系、I／O設(shè)備操作方法。因此本文先介紹龍芯系統(tǒng)平臺的特點，再說明從CPU啟動開始，如何初始化系統(tǒng)平臺，直到引導Vx86執(zhí)行。

3.2 龍芯系統(tǒng)平臺概述

龍芯開發(fā)板上的CPU是龍芯2E處理器。龍芯2E是實現(xiàn)了MIPS III指令集的通用RISC處理器，采用9級指令流水線，包括取指、預譯碼、譯碼、寄存器重命名、調(diào)度、發(fā)射、讀寄存器、執(zhí)行、提交。龍芯2E使用了3個獨立的Cache：一級指令Cache，64KB的容量，采用4路組相聯(lián)的結(jié)構(gòu)；一級數(shù)據(jù)Cache，64KB的容量，采用4路組相聯(lián)的結(jié)構(gòu)；二級混合Cache，片上Cache，512KB的容量，采用4路組相聯(lián)的結(jié)構(gòu)，使用的是寫回法。龍芯2E對程序地址空間的映射分為4部分，如圖5所示。

圖5 龍芯2E地址空間的映射關(guān)系

kuseg：0x000 0000～0x7FFF FFFF（低端2GB），這些是用戶模式下可用的地址。在帶有MMU的機器里，這些地址都將由MMU加以轉(zhuǎn)換。

kseg0：0x8000 0000～0x9FFF FFFF（512MB），只需要把最高位清零，這些地址就被轉(zhuǎn)換（translate）為物理地址，然后把它們連續(xù)地映射到物理內(nèi)存中512MB大小的低字段 （0x0000 0000～0x1FFF FFFF）內(nèi)。一般情況下，都是通過快速緩存對這段區(qū)域內(nèi)的地址進行訪問。因此在Cache被正確地初始化之前，不要使用這些地址。

kseg1：0xA000 0000～0xBFFF FFFF（512MB），通過將最高3位清零的方法，把這些地址映射為相應(yīng)的物理地址，然后象kseg0一樣，再映射到物理內(nèi)存中512MB大小的低字段。但要注意，kseg1是不通過Cache存取的（uncached）。kseg1是唯一的在系統(tǒng)重啟時能正常工作的地址空間，這也是為什么重新啟動時的入口向量0xBFC0 0000會在這個區(qū)域內(nèi)。

kseg2：0xC000 0000～0xFFFF FFFF（1GB），這段地址空間只能在核心態(tài)下使用并且要經(jīng)過MMU的轉(zhuǎn)換。在MMU設(shè)置好之前，不要對其進行訪問。

3.3 系統(tǒng)初始化過程

對于本文來說，bootloader的工作主要在boot龍芯平臺，即初始化能運行系統(tǒng)的最小硬件環(huán)境，如北橋和南橋、DDRAM控制器、龍芯2E的Cache；初始化調(diào)試環(huán)境，如串口；然后把整個系統(tǒng)搬移到RAM中運行，再執(zhí)行Vx86虛擬機。下面介紹詳細的過程。

當CPU啟動時，從地址0xBFC0 0000處取代碼執(zhí)行，這個地址被映射到開發(fā)板上的Flash零地址偏移處，因此必須把bootloader燒錄到Flash的零地址偏移處才能正確執(zhí)行。在連接腳本中有ENTRY（＿start），程序的入口點是標號為start的代碼，從start開始的代碼被燒錄到Flash的零地址處偏移處。

“mtc0zero，COP＿0＿STATUS＿REG”是CPU執(zhí)行的第一條指令，把狀態(tài)寄存器清零。然后把COP＿0＿CAUSE＿REG清零，接著是設(shè)置狀態(tài)寄存器的BEV位，這樣發(fā)生異常時，CPU從Flash上取異常處理的代碼。在異常處理時可以打印出觸發(fā)異常發(fā)生的原因、指令，便于調(diào)試。接著設(shè)置引導程序的堆?？臻g，“l(fā)a sp，stack”是把棧首地址給sp寄存器，“l(fā)a gp，＿gp”是把編譯器中的＿gp全局地址給gp寄存器，這樣做是讓全局變量可以進行相對寄存器尋址。最后，執(zhí)行Vx86虛擬機，直接通過函數(shù)調(diào)用來實現(xiàn)：VX86＿Entry（）。

結(jié) 語

本文討論的嵌入式跨平臺虛擬軟件技術(shù)應(yīng)用，重點講述嵌入式跨平臺虛擬機CPU虛擬設(shè)計和bootloader設(shè)計。根據(jù)以上的分析可知龍芯2E虛擬80386、80486，甚至Pentium 4以下的機器都是可行的。龍芯2E已經(jīng)提供了一個可行的硬件環(huán)境，實現(xiàn)X86平臺的軟件可以運行在MIPS平臺上。

［1］張凱龍.傳統(tǒng)OA的Linux中間件平臺移植技術(shù)及其實現(xiàn)［D］.西安：西北工業(yè)大學，2003.

［2］戴梅萼，史嘉權(quán).微型計算機技術(shù)及應(yīng)用［M］.4版.北京：清華大學出版社，2008.

［3］Dominic Sweetman.See MIPS Run［M］.SanFranciso：Morgan Kaufmann Publishers，2008.

［4］李小波.龍芯2號功能部件半形式化驗證方法的研究與實現(xiàn)［D］.北京：首都師范大學，2006.

［5］李會，鄔迪.嵌入式系統(tǒng)在工業(yè)控制中的應(yīng)用［J］.微計算機信息，2007（2）.

［6］Bill Blunden.Virtual Machine Design and Implementation in C／C＋＋［M］.［S.I.］，2003.