原创 SkyEye硬件模拟平台3:SkyEye的设计实现

  SkyEye硬件模拟平台<?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />

  第三部分: 硬件仿真实现之一  SkyEye的设计实现

  级别: 中级

本文章主要介绍了SkyEye硬件模拟平台的实现细节，主要内容包括SkyEye的总体设计、SkyEye的可扩展框架、SkyEye的关键数据结构、SkyEye对各种CPU的模拟实现、SkyEye对各种外设的模拟实现、如何安装使用SkyEye以及如何扩展SkyEye的仿真模块等。对SkyEye的深入了解，有助于对嵌入式硬件系统有更深入的认识，特别是对操作系统、驱动程序如何与嵌入式硬件系统进行交互有更深刻的了解。

一、 SkyEye目标模拟模块功能划分：
<?xml:namespace prefix = v ns = "urn:schemas-microsoft-com:vml" /> 
                 

如上所示。SkyEye目标模拟模块从功能上可分为如下几大模块：

●配置选项解析和初始化模块：在模拟硬件开始运行前，根据配置文件的选项，控制对模拟硬件的配置和初始化。相关文件包括： 
arminit.c：控制各种模拟硬件的初始化 
skyeye_config.[ch]：解析配置文件的选项行 
skyeye_options.c：根据各种硬件的选项，完成各种配置 

●    处理器模拟宏模块：主要完成与处理器体系结构相关的模拟，它可细分为：CPU指令模拟执行模块、MMU/CACHE模拟模块、CoProcessor(又称协处理器)模拟模块。 

CPU指令模拟执行模块：其主要任务是：当模拟硬件开始运行，完成指令读取，指令译码，指令执行的工作；如果CPU状态发生了改变，调整指令和各种寄存器值；在指令执行前，调用开发板IO模拟模块的io_do_cycle驱动模拟各种外设的行为。主要的文件包括： 
armemu.[ch]：模拟CPU的3级流水线，并具体执行各种指令 

MMU/CACHE模拟模块：本模块分为两部分：与具体CPU类型无关的MMU/CACHE模拟子模块和与具体CPU类型相关的模拟子模块。主要的任务是：根据配置文件进行初始化；进行MMU/CACHE模拟；执行与MMU/CACHE相关的指令。如果CPU指令模拟模块执行读写存储器的操作指令，则转到MMU/CACHE模拟模块。如果模拟的CPU类型不支持MMU(如ARM7TDMI)，则SkyEye会根据将访问的地址，直接转到MEMORY模拟模块或开发板IO模拟模块；否则转到具体CPU类型相关的模拟子模块进行MMU/CACHE模拟。主要的文件包括两部分： 
与具体CPU类型无关的MMU/CACHE模拟子模块： 
armvirt.c、armmmu.c、mmu/*.[ch] 
与具体CPU类型相关的MMU/CACHE模拟子模块：
sa_mmu.[ch]：模拟strongarm的MMU/CACHE 
arm7100_mmu.[ch]：模拟arm7[12]0T的MMU/CACHE 
xscale_copro.c：模拟xscale的MMU/CACHE 
arm920t_mmu.[ch]：模拟arm920t的MMU/CACHE 

CoProcessor(又称协处理器)模拟模块：其主要任务是：完成各种协处理器的初始化；执行各种协处理器的指令。实际上MMU/CACHE模拟模块的一部分工作是模拟ARM的第15号协处理器，它的主要功能是配置MMU/CACHE等。主要的文件包括： 
armcopro.c：根据配置信息，完成对ARM协处理器的初始化配置 
xscale_copro.c：模拟xscale的协处理器cp13、cp14、cp15 
sa_mmu.[ch]、arm7100_mmu.[ch]：模拟strongarm、ep7312的协处理器cp15 
arm920t_mmu.[ch]：模拟arm920t的协处理器cp13、cp14、cp15 

●    IO模拟宏模块：本模块包含各种逻辑行为各异的外设模拟，主要包括系统IO模拟模块、网络芯片模拟模块、LCD模拟模块等。 

系统IO模拟模块：本模块的主要任务包括：根据配置文件进行IO和外设初始化；完成各种外部IO设备的模拟(如时钟计数器累加、产生中断、LCD显示等)；进行各种特定CPU和外设的IO寄存器读写的模拟。本模块与各种具体的开发板和CPU有很紧密的联系，主要的文件包括： 
armio.[ch]：建立在各个特定模拟子模块上的抽象层模块 
skyeye_mach_at91.c：模拟Atmel AT91X40开发板 
skyeye_mach_ep7312.c：模拟cirrus ep7312开发板 
skyeye_mach_pxa.c：模拟intel xscale lubbock开发板 
skyeye_mach_s<?xml:namespace prefix = st1 ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:smarttags" />3c4510b.c：模拟基于samsung s3c4510b的开发板 
skyeye_mach_s3c44b0.c：模拟基于samsung s3c44b0的开发板 
skyeye_mach_sa.c：模拟基于intel strongam的adsbitsy开发板 
skyeye_mach_lpc.c：模拟基于philip lpc2249的开发板 
skyeye_mach_sharp.c：模拟基于sharp lh7a400的开发板 
skyeye_mach_at91rm92.c：模拟基于atmel at91rm9200的开发板 
skyeye_mach_cs89712.c：模拟基于cs89712的开发板 

网络芯片模拟模块：本模块主要完成了对8019AS网络芯片的模拟工作，主要任务包括：模拟8019AS的控制逻辑、8019AS与具体开发板IO模拟模块的接口、虚拟网络输入输出接口处理。主要的文件包括： 
skyeye-ne2k.[ch]：8019AS的硬件逻辑模拟 
skyeye_mach_at91.c：部分内容完成接收虚拟网络输入处理模拟 
skyeye_net_tuntap.c：配置tuntap虚拟网络的接口 
skyeye_net_vnet.c：配置vnet虚拟网络的接口 
vnet.c、if_vnet.h：独立存在的软件包，vnet虚拟网络的具体实现 

LCD/TouchScreen模拟模块：本模块主要完成LCD/TouchScreen控制逻辑的模拟，是目前唯一需要GUI支持的模块，它的主要任务是：配置LCD/TouchScreen硬件模拟、模拟LCD/TouchScreen控制逻辑。有关LCD/TouchScreen模拟相关的文件包括： 
skyeye_lcd.[ch]： LCD/TouchScreen配置和LCD/TouchScreen模拟的通用控制逻辑 
skyeye_mach_*.c：与开发板相关LCD/TouchScreen的控制逻辑和中断处理，目前支持ep7312和pxa255的skyeye模拟。 

MEMORY模拟模块：本模块与具体的CPU和开发板无关，它的主要任务包括：根据配置文件进行内存初始化，并加载binary image文件；进行RAM/ROM读写的模拟。主要的文件包括： 
armmem.[ch]：主要完成RAM/ROM读写模拟 

一、SkyEye关键数据结构：

SkyEye目标模拟模块中，各种数据结构很多，用于模拟硬件总体机构定义的主要数据结构有skyeye_config_t和ARMul_State。把握这两个数据结构，是理解整个skyeye模拟的硬件体系结构的关键，在这两个数据结构上进行进一步细化分析，则可充分了解skyeye的硬件体系结构细节。

1、 skyeye_config数据结构：
    skyeye_config_t结构描述了SkyEye模拟的整个硬件的静态配置，它的具体内容如下：


typedef struct {
        cpu_config_t *cpu;
        machine_config_t *mach;
        mem_config_t mem;
        net_config_t net[NET_MAXNICNUM_PER_HOST];
        uart_config_t uart;
        log_config_t log;
        ARMword start_address;
     ARMword no_lcd;
        char config_file[MAX_FILE_NAME];
} skyeye_config_t;

     skyeye_config_t结构包含了：CPU核心配置信息－cpu、开发板配置信息－mach、memory map 配置信息-mem、网络芯片和网络环境配置信息－net、面向主机的输入输出配置信息－uart、测试记录输出配置信息－log、模拟执行起始地址配置信息－start_address、是否有LCD－no_lcd和记录文件名信息－config_file。这里面与模拟硬件紧密相关的是CPU核心配置信息、开发板配置信息、memory map 配置信息、网络芯片和网络环境、LCD配置信息。

2、cpu_config_t数据结构：
    描述CPU核心的结构定义在cpu_config_t数据结构中，具体内容如下：

typedef struct {
        const char *cpu_arch_name; 
        const char *cpu_name; 
        ARMword cpu_val;
        ARMword cpu_mask; 
        ARMword cachetype;
} cpu_config_t;

     其具体描述解释如下：
●cpu_arch_name：描述了arm cpu体系结构的名称，根据ARM CPU内核的发展，其体系结构已经从Version1发展到了Version5，其最新版本为Version5TE。而Intel在其基础上又进行了自己的扩展体系结构StrongARM(基于ARM version4)和XScale(基于ARM version5)。目前SkyEye支持“armv3”、“armv4”、“arm5”、“arm5TE”、“xscale”的体系结构。 
●cpu_name：描述了具体的arm cpu名称，如arm7TDMI、ARM720T、StrongARM1100/1110、XScale PXA2xx等。目前SkyEye支持“arm710”、“arm7TDMI”、“arm720t”、“sa1100”、“xscale”等。 
●cpu_val：这是用来表示process id，一般而言每种具体的ARM CPU 都有一个ID，更详细的描述可参考《ARM Architecture Reference Manual》的B2-6。操作系统根据这个ID来识别cpu的类型并执行相关配置。 
●cpu_mask：这是用来确定process id的屏蔽位数。由于process id中的某些位用于其它目的，并不用来表示具体的CPU类型。实际上操作系统在确定CPU类型时用到的数字是cpu_val&cpu_mask。 
●cache_type：基于ARM内核的CPU种类繁多，但如果根据CACHE类型来分，可分为三种：无CACHE类型、统一结构CACHE类型和哈佛结构CACHE类型。SkyEye支持这三种类型。统一结构CACHE类型的CPU中，指令和数据共用同一个CACHE；而哈佛结构CACHE类型的CPU中，存在相互独立的数据CACHE和指令CACHE。无CACHE的CPU尺寸比有CACHE的CPU尺寸要小很多，成本上有优势，但在性能上要低于有CACHE的CPU。 

SkyEye定义了一个cpu_config_t结构的数组(位于skyeye_option.c中)，结构如下：

cpu_config_t arm_cpu[] = {
      {"armv3", "arm710",      0x41007100, 0xfff8ff00, DATACACHE},
      {"armv3", "arm7tdmi",   0x41007700, 0xfff8ff00, NONCACHE},
      {"armv4", "arm720t",     0x41807200, 0xffffff00,  DATACACHE},
      {"armv4", "sa1110",       0x6901b110, 0xfffffff0,   INSTCACHE},
      {"armv4", "sa1100",       0x4401a100, 0xffffffe0,   INSTCACHE},
      {"xscale", "xscale",         0x69052100, 0xfffffff0,   INSTCACHE}
};

3、machine_config_t数据结构：
    machine_config_t结构描述了开发板配置信息，定义在skyeye_config.h中，具体内容如下：

typedef struct machine_config{
    const char *machine_name;  
    void (*mach_init)(ARMul_State *state,\
                      struct machine_config *this_mach);
    void (*mach_io_do_cycle)(ARMul_State *state);
    void (*mach_io_reset)(ARMul_State *state);
    void (*mach_update_int)(ARMul_State *state);
    ARMword (*mach_io_read_byte)(ARMul_State *state, ARMword addr);
    void (*mach_io_write_byte)(ARMul_State *state, ARMword addr,\   
                                 ARMword data);
    ARMword (*mach_io_read_halfword)(ARMul_State *state, \
                                           ARMword addr);
    void (*mach_io_write_halfword)(ARMul_State *state, ARMword addr,\
                                     ARMword data);
    ARMword (*mach_io_read_word)(ARMul_State *state, ARMword addr);
    void (*mach_io_write_word)(ARMul_State *state, ARMword addr,\   
                                 ARMword data);} machine_config_t;
}machine_config_t

     其具体描述解释如下：
●machine_name：开发板的名称。目前支持的开发板有：atmel的基于AT91X40 CPU的开发板、基于Cirrus Logic ep7312的开发板、基于Intel StrongARM的adsbitsy开发板、基于Intel XScale PXA25x的Lubbock开发板等。 
●mach_init：开发板初始化配置函数，主要初始化一些与开发板相关的变量和配置mach_io_do_cycyle、mach_io_read/write_byte/halfword/word函数。mach_init函数被wrappe.c中的init函数调用。 
●mach_io_reset：开发板运行初始化函数。主要初始化与开发板相关的变量。 
●mach_update_int ：定义了与开发板相关的中断处理函数。 
●mach_io_read/write_*：分别定义与开发板相关的I/O函数。 

SkyEye定义了一个machine_config_t结构的数组(位于skyeye_option.c中)，结构如下：

machine_config_t arm_machines[] = {     
      {"at91",              at91_mach_init,          NULL, ......},
      {"ep7312",         ep7312_mach_init,      NULL, ......},
      {"s3c4510b",      s3c4510b_mach_init,  NULL, ......},
      {"s3c44b0",        s3c44b0_mach_init,    NULL, ......},
      {"sa1100",          sa1100_mach_init,      NULL, ......},
      {"pxa_lubbock",  pxa_mach_init,           NULL, ......} …… 
};

4、 mem_config_t和mem_bank_t数据结构：
    SkyEye的内存映射配置结构由mem_config_t和mem_bank_t数据结构描述。ARM体系结构与x86体系结构在I/O内存映射上有所不同：X86体系结构可以使用I/O端口来映射外部设备上的寄存器和设备内存；而ARM体系结构是通过标准的memory地址空间来映射外设的寄存器或设备内存，而且在通常情况下，I/O地址空间不会通过CACHE进行缓存。目前SkyEye支持三种类型的内存映射：ROM SPACE(只读)、RAM SPACE(可读写)、IO SPACE(可读写，与特定开发板相关)。SkyEye对这三种类型的内存映射的处理是不同的。在SkyEye中把一段连续的地址空间称为一个mem_bank，多个mem_bank之间不一定连续。

mem_config_t数据结构的具体内容如下：

typedef struct {
        int bank_num;
        int current_num;
        mem_bank_t mem_banks[MAX_BANK];
} mem_config_t;

    其中 bank_num用来记录当前的硬件配置中的mem_bank总数，current_num是用于解析skyeye.conf中的mem_bank配置信息的一个辅助变量，mem_banks数组具体记录了每个mem_bank的类型和相关的访问函数。

mem_bank_t数据结构的具体内容如下：

typedef struct mem_bank_t {
  ARMword (*read_byte)(ARMul_State *state, ARMword addr);
  void (*write_byte)(ARMul_State *state, ARMword addr, ARMword data);
  ARMword (*read_halfword)(ARMul_State *state, ARMword addr);
  void(*write_halfword)(ARMul_State *state, ARMword addr, ARMword data);
  ARMword (*read_word)(ARMul_State *state, ARMword addr);
  void (*write_word)(ARMul_State *state, ARMword addr, ARMword data);
  unsigned long   addr, len;
  char    filename[MAX_STR];
  unsigned type;
} mem_bank_t;

    其中的read/write_* 函数指针分别对应了不同类型内存映射的访问函数；addr表示mem_bank的起始地址；len表示mem_bank_的大小；filename是binary image文件名；type表示mem_bank的类型。函数指针赋值等配置过程由skyeye_options.c中的函数do_mem_bank_option完成。如果在skyeye.conf中存在binary image文件名，则do_mem_bank_option函数会把文件内容读入到对应的mem_bank中。

5、net_config_t数据结构：
    SkyEye支持网络模拟，目前描述网络配置的数据结构是net_config_t，它的具体内容如下：

typedef struct {
   int state;
   unsigned char macaddr[6];
   unsigned char  hostip[4]; 
   int ethmod;
   int fd;                     
   int hubindex; 
   int (*net_init)(int index, unsigned char *macaddr, unsigned char *hostip);
   unsigned char (*net_output)(int if_fd, ARMul_State *state,\
                   unsigned char startpage,unsigned short packet_len);
   void  (*net_input)(int if_fd, ARMul_State *state);
}net_config_t;

     其中各个field的含义描述如下：
●state：是一个布尔变量，为1表示网络芯片工作，为0表示网络芯片不工作 
●macaddr：用来保存网络芯片的mac地址 
●hostip：用来保存主机上与SkyEye进行网络通信所用的IP地址 

●ethmod：表示与主机的模拟网络交互的方式，目前定义的交互方式有： 

#define NET_MOD_LINUX 0 
#define NET_MOD_TUNTAP 1 
#define NET_MOD_WIN 2 
#define NET_MOD_VNET 3 
目前可以使用的两种方式有 NET_MOD_VNET(与SkyEye提供的vnet.o内核模块进行网络交互)和 NET_MOD_TUNTAP(与linux的tun.on内核模块进行网络交互)。
●fd：表示SkyEye用于与主机进行网络交互的设备文件描述符 
●hubindex：用于NET_MOD_VNET方式，表示所处的是第几个虚拟hub网段。如果它的值是i，则处于第i个hub网段中。 
●net_init/net_input/net_output：这三个函数与具体的模拟网络交互方式有关，分别完成初始化操作和与主机网络的输入输出操作。相关的实现在文件skyeye_net_*.c中。 
    有关8019AS模拟芯片(NE2000兼容)的具体配置与实现位于文件skyeye-ne2k.[ch]中。

6、ARMul_State数据结构：
    上面讲述的是与SkyEye的硬件配置相关的数据结构，可以理解为一种静态硬件配置的数据结构，这些数据结构中的域基本不随着SkyEye模拟硬件的运行而改变。而ARMul_State描述的是一种动态硬件配置的数据结构，它保存了随着SkyEye模拟硬件的运行而时刻改变的硬件数据。

ARMul_State中的域数量繁多，大体分为：
与CPU模拟相关的域、与协处理器模拟相关的域、与内存和MMU/CACHE相关的域
、与统计相关的域、与具体开发板相关的io部分。 

这里只描述其中关键的部分：
●与CPU模拟相关的域 ：
ARMword Reg[16]：CPU当前模式下的寄存器值 
ARMword RegBank[7][16]：CPU所有七种模式下的寄存器值 
ARMword Cpsr：CPU的当前程序状态寄存器 
ARMword Spsr[7]：CPU所有七种模式下的程序状态保存寄存器 
ARMdword Accumulator：40bit的累加寄存器，目前用于xscale体系结构中 
ARMword NFlag, ZFlag, CFlag, VFlag, IFFlags, Sflag,TFlag：各种状态位 
ARMword Bank：CPU对应模式寄存器组的索引值 
ARMword Mode：CPU模式索引值 
ARMword instr, pc：pc是目前正在执行的程序指针，instr是pc所指地址的内容 
ARMword loaded, decoded：loaded是正在加载的指令，decoded是正在解码的指令 
unsigned NfiqSig：FIQ信号 
unsigned NirqSig：IRQ信号 

●    与协处理器模拟相关的域： 
ARMul_CPInits *CPInit[16]：16个协处理器的初始化函数 
ARMul_CPExits *CPExit[16]：16个协处理器的退出函数 
ARMul_LDCs *LDC[16]：16个协处理器的LDC指令函数 
ARMul_STCs *STC[16]：16个协处理器的STC指令函数 
ARMul_MRCs *MRC[16]：16个协处理器的MRC指令函数 
ARMul_MCRs *MCR[16]：16个协处理器的MCR指令函数 
ARMul_CDPs *CDP[16]：16个协处理器的CDP指令函数 
ARMul_CPReads *CPRead[16]：16个协处理器的读CP寄存器函数 
ARMul_CPWrites *CPWrite[16]：16个协处理器的写CP寄存器函数 
unsigned char *CPData[16]：16个协处理器的数据指针 
ARMword CP14R0_CCD：在xscale体系结构的CP14协处理器中，用于统计时钟周期 

●与内存和MMU/CACHE相关的域： 
mmu_state_t mmu：mmu/cache的数据结构，在armmmu.h中定义，详解请参考"SkyEye的MMU/CACHE和Memory模拟实现"一节 
mem_state_t mem：memory的数据结构，在armmem.h中定义，详解请参考"SkyEye的MMU/CACHE和Memory模拟实现"一节 
与统计相关的域 
unsigned long NumScycles, NumNcycles, NumIcycles, NumCcycles, NumFcycles：用于统计不同状态下的周期数 
unsigned long NumInstrs：当前执行的指令数 
其它与特定CPU和开发板相关的各种io寄存器的定义放到了各个与开发板相关的文件中，如skyeye_mach_at91/ep7312/pxa/sa.c等处，详解请参考"SkyEye的开发板IO模拟实现"。

●与具体开发板相关的io部分：
ARMul_io mach_io;
其中ARMul_io的结构目前为

struct ARMul_io
{
 ARMword *instr; //to display the current interrupt state
 ARMword *net_flag;//to judge if network is enabled
 ARMword *net_int; //netcard interrupt

 ARMword *lcd_is_enable;       //turn lcd on?
 ARMword *lcd_addr_begin;   //the begining display mem addr of lcd 
 ARMword *lcd_addr_end;     //the end      display mem addr of lcd
};

instr：是记录当前的中断状态
net_flag:判断网络选项是否打开
net_int:用来记录网络中断号
lcd_is_enable:来记录LCD是否使能
lcd_addr_begin:记录lcd显存的起始位置
lcd_addr_end:记录显存的结束位置

7、SkyEye逻辑执行流程：
    了解SkEye的总体逻辑执行流程，对了解硬件的体系结构和软件/硬件的接口有较大帮助。从总体上，可把SkyEye逻辑执行流程按执行的时间顺序划分为两个阶段：
1、SkyEye加载与配置处理过程
2、SkyEye模拟执行过程

    第一阶段为第二阶段的正常执行做了充分的准备，具体的执行内容包括：
●读入带调试信息的操作系统执行文件(由GDB完成) 
●根据配置文件skyeye.conf的信息配置模拟硬件 
●如果skyeye.conf中存在binary image格式文件，加载这些文件 
●根据操作系统执行文件的内容加载调试信息(由GDB完成) 
●根据操作系统执行文件信息加载执行文件中的代码段和数据段等(由GDB完成) 
●执行相关模拟硬件的初始化函数 
    其中总的初始化函数是位于wrapper.c中的init函数，它调用如下函数完成整个模拟硬件的初始化工作：

ARMul_EmulateInit：初始化与执行机器指令相关的数据ARMul_ImmedTable和ARMul_BitList 
ARMul_NewState：初始化结构为ARMul_State的全局变量state 
skyeye_option_init：初始化全局变量skyeye_config 
skyeye_read_config：读取配置文件skyeye.conf并根据配置文件进行相关配置 
nic_init：根据配置文件信息配置网络模拟环境 
skyeye_config.mach->mach_init(state, skyeye_config.mach)：根据配置文件信息配置CPU和开发板的相关I/O函数 
ARMul_Reset(state)：进一步初始化全局变量state，并根据配置文件信息配置MMU/CACHE和memory 
io_reset：初始化特定CPU和开发板的IO寄存器