SkyEye硬件模拟平台： 硬件仿真实现之二

本系列文章主要介绍了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。

1.1.1 SkyEye的CPU和开发板模拟实现

1. CPU总体模拟实现
CPU是计算机硬件的核心，目前的SkyEye模拟的是基于ARM CPU内核的CPU体系结构(将来会扩展到非ARM体系结构的其它CPU)。虽然存在数量众多的基于ARM内核的CPU，但这些CPU的核心基本上是相同的，大部分基于ARM v3-v5体系结构，并加以扩展。从硬件实现上，ARM CPU内核已经发展到第五代，芯片设计也越来越复杂，但由于SkyEye的模拟级别是指令级的，所以在设计上可以从软件实现角度进行各种模拟优化和简化。

操作系统的任务是提供一个环境，使得上层的应用程序不用与底层的硬件直接打交道，且多个应用程序之间可以共同执行，共享硬件资源。实际上，操作系统是建立在硬件上的一个虚拟机环境，而应用程序是建立在操作系统之上的程序，这个程序感觉好像它独占了整个硬件资源，而这实际上是操作系统给应用程序提供的一个假象，就象电影"Matrix"中描述的那个虚幻的繁华世界一样。而SkyEye的任务就是让操作系统感觉在一个真实的硬件环境中运行，这是一个更低层次的虚拟机环境，操作系统"看到"的所有硬件都是SkyEye虚拟出来的。

为了达到这个目标，首先需要分析操作系统可以看到什么硬件。从操作系统的角度看，操作系统可以访问到的ARM CPU内核硬件部分包括通用寄存器(R0-R15)、程序状态寄存器(CPSR和SPSR)、基于ARM内核的特定CPU的IO寄存器等、基于ARM内核的特定CPU的协处理器等。如果需要深入了解ARM的体系结构，建议参考Steve Furber编写的《ARM System-on-Chip Architecture》和ARM公司编写的《ARM Architecture Reference Manual》。

为了能够支持ARM v1-v5的体系结构模拟，我们在设计CPU模拟时，必须完成如下工作：

• 建立所有操作系统可以"看到"的硬件单元，这些建立在基于ARMul_State数据结构的全局变量state中；
• 实现基于三级流水线硬件逻辑模拟，它们在armemu.c的函数ARMul_Emulate32/26中实现；
• 识别并能够执行所有的ARM指令集的硬件逻辑模拟，它们在armemu.c的函数ARMul_Emulate32/26中实现；
• 完成异常处理的硬件逻辑模拟，armemu.c的函数ARMul_Emulate32/26中和arminit.c的函数ARMul_Abort中实现。

如果完成了这四部分工作，ARM CPU核心的模拟工作基本就算完成了。

2. 三级流水线模拟实现
三级流水线的ARM体系结构的主要的组成包括：

• 寄存器堆：各种CPU模式下的寄存器的集合，可对应于ARMul_State数据结构中的域ARMword RegBank[7][16]；
• 桶式移位器：用来把一个操作数移位任意位数；
• 地址寄存器和增值器：用来选择和保留存储器地址，并产生顺序递增的地址；
• 数据输入/输出寄存器：用来保存从存储器输入或向存储器输出的数据；
• 指令译码和相关控制逻辑：完成指令译码并执行指令的控制逻辑，这由文件armemu.c中的函数ARMul_Emulate32/26来实现。

三级流水线的硬件逻辑描述如下：

1. 取指令：即从存储器中取出指令，放入指令流水线。对应于SkyEye的实现是根据pc值取对应的存储器内容到instr变量中；

2. 指令译码：指令被译码，占用译码逻辑，并为下一周期准备数据通路的控制信号。SkyEye没有具体的对应实现，只是把译码阶段的指令保存在一个变量中。

3. 指令执行：根据译码的情况，执行具体的指令控制逻辑，即指令占用数据通路，读取相关的寄存器，完成数据处理操作、地址转移操作或执行存储器数据访问操作等。

前两部分在armemu.c的函数ARMul_Emulate32/26中的前一小部分实现，第三部分在armemu.c的函数ARMul_Emulate32/26中的后大半部分实现。

3. 异常处理模拟实现
异常是指在程序运行时发生的异步意外事件，如外设产生中断，硬件故障等，在逻辑上它发生在指令执行中。对应ARM和其它一些CPU体系结构而言，异常也包括软件产生的中断(如除零操作)和未定义指令陷阱等，而这些是同步事件，在逻辑上它发生在指令执行前。

ARM体系结构的异常分为三类：

• 指令执行引起的直接异常：如软件中断异常、未定义指令异常和预取指令中止异常(因为在取指过程中的存储器故障导致的无效指令)；
• 指令执行引起的间接异常：数据中止异常(在数据访问时的存储器故障)
• 外设产生的与指令无关的异常：包括reset、IRQ、FIQ

当异常发生时，ARM CPU内核尽量完成当前指令，然后改变当前的程序计数寄存器R15的值，使其指向异常向量地址。间接异常和外设引起的异常将打乱流水线的正常处理过程。如果发生异常，ARM CPU将执行如下操作：

1. CPU进入与特定异常相对应的CPU操作模式；

2. 将引起异常指令的下一条指令的地址保存到新模式的R14寄存器中；

3. 将原模式中的CPSR保存到新模式的SPSR中；

4. 如果是IRQ异常，则设置CPSR的第七位来禁止IRQ；如果是FIQ，则除了禁止IRQ，还要进一步设置CPSR的第六位来禁止FIQ；

5. 根据异常的种类，把R15寄存器设置为相对应的异常向量地址，并执行对应的指令。

上述的处理过程在arminit.c的ARMul_Abort函数中和armemu.c的ARMul_Emulate32/26函数中的一部分实现。而与具体指令的执行相关的部分可直接参考armemu.c的ARMul_Emulate32/26函数后半部分实现的源码，这是整个函数的主体。

4. 协处理器模拟
ARM基本核心的功能并不能满足各种各样的应用需求（如浮点处理、信号处理等），所以为了能够提高ARM体系结构的扩展性，ARM通过增加硬件协处理器和协处理器接口在支持指令集扩展，也可以通过未定义指令异常来实现软件扩展指令模拟（这样性能差很多）。最常用的ARM协处理器是控制MMU/CACHE等的系统协处理器，如ARM720T的MMU/CACHE管理单元。

ARM的协处理器体系结构支持16个协处理器，每个协处理器可以有16个寄存器（位数不定），协处理器使用类RISC的Load/Store体系结构，主要有以下几类指令：

• 协处理器数据操作指令：用于控制数据在协处理器内部的操作。
• 协处理器数据传送指令：类似标准ARM的字/字节数据传送指令，即把数据传送到协处理器内的寄存器中，或把协处理器的寄存器中的数据存储到内存单元。
• 协处理器寄存器传送指令：把协处理器中产生的整数直接传送给ARM寄存器和ARM条件码标志位。

实际协处理器的硬件实现还要考虑协处理器的接口实现技术（即如果与ARM CPU核心进行通信）。SkyEye实现的协处理器模拟比较简单，与协处理器模拟的关键数据保存在ARMul_State的如下域中：

• 协处理器初始化/退出停止函数指针
  CPInit CPExit
• 协处理器指令函数指针，对应各种协处理器指令
  LDC STC MRC MCR CDP CPRead CPWrite
• 协处理器内部寄存器数据
  CPData

协处理器的模拟处理主要有如下几个部分：

• 协处理器初始化：主要由文件armcopro.c中的函数ARMul_CoProInit完成。如果是支持MMU/CACHE的CPU，则需要注意的是对系统协处理器（15号协处理器）的初始化，ARMul_CoProInit完成了CPInit、MRC、MCR这几个协处理器指令函数指针的赋值。由于XScale体系结构的CPU存在第13号和第14号协处理器，所以如果要模拟这种类型的CPU，也会对这两个处理器进行初始化。
• 协处理器指令模拟：当在执行指令过程中，发现指令是协处理器指令，则把指令转交特定的协处理器指针函数进行进一步处理。与15号协处理器相关的协处理指令主要是MRC和MCR，且与MMU/CACHE的设置有关。这两个协处理器函数的具体实现与特定的CPU相关，目前包括：
  • ARM720T实现：位于文件arm7100_mmu.c的函数a71_mmu_mcr/mrc
  • ARM920T实现：位于文件arm920t_mmu.c的函数arm920t_mmu_mcr/mrc
  • StrongARM实现：位于文件sa_mmu.c的函数sa_mmu_mcr/mrc
  • XScale实现：位于文件xscale_copro.c的函数xscale_mmu_mcr/mrc

XScale体系结构的CPU存在第13号和第14号协处理器，且ARM Linux对它们也有逻辑控制，所以在文件xscale_copro.c的函数xscale_cp13/14/15_*完成了对应的协处理器指令的硬件逻辑模拟。

通过上述的协处理器模拟实现，SkyEye能够完成ARM Linux for ep7312/SA1100/PXA25x等内核执行的协处理器指令，保证内核能够正常运行。

5. I/O硬件模拟
由于大部分基于ARM内核的各种CPU和开发板都有自己的扩展，而且一般各不相同。由于这一部分与硬件系统的I/O有很大的关系，因此SkyEye建立了一个I/O抽象层，把这一部分独立出来，然后建立各个特定CPU和开发板的I/O处理模拟实现，这样最大程度地减少了代码冗余，同时结构和模块化更清晰，这也有利于开发者在此基础上开发其它类型的CPU和开发板。SkyEye的I/O抽象层的实现在armio.c文件中，而与特定硬件相关的实现则分别在如下文件中：

• skyeye_mach_at91.c：模拟Atmel AT91X40开发板
• skyeye_mach_ep7312.c：模拟cirrus ep7312开发板
• skyeye_mach_sa.c：模拟基于intel strongam的adsbitsy开发板
• skyeye_mach_pxa.c：模拟intel xscale lubbock开发板
• skyeye_mach_s3c4510b.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_lpc.c：模拟基于philips lpc2249的开发板
• skyeye_mach_cs89712.c：模拟基于cs89712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at91rm9200的开发板

实际上，SkyEye如果实现clock的I/O模拟，再加上内存模拟(mem_bank的起始地址和大小由配置文件skyeye.conf定义)，则可以运行支持分时操作的最基本操作系统（如μC/OS-II等）了。而为了能够支持字符的输入输出，则还需要进一步实现UART模拟。所以支持clock和UART两部分的模拟是SkyEye能够运行一个比较实际的操作系统的最基本要求。下面分别对主要几个特定CPU和开发板的模拟进行介绍。

6. 基于AT91X40的开发板
AT91X40为ATMEL公司基于ARM7TDMI核的32位CPU，其核心为高性能的32位RISC体系结构，并具有高密度的16位指令集和极低的功耗。AT91X40系列微控制器内部有一个8优先级、可单独屏蔽的向量中断控制器，称为先进中断控制器AIC（Advanced Interrupt Controller）。AT91X40系列微控制器集成了两个完全相同的全双工通用同步/异步收发器（USART）。Time Clock共有3个通道，有16位定时器/计数器，支持捕获和波形模式。每个TC都可以测量或产生不同的波形，并可以检测及控制两个I/O信号。TC还有3个外部时钟信号。这些外设都可以通过相关的I/O寄存器进行设置和访问。

μClinux包含对基于AT91X40的开发板的BSP（Board Support Package），通过分析AT91X40体系结构和μClinux内核源码，SkyEye只需保存如下数据结构描述的寄存器、内部数据（这些寄存器的值和内部数据可能被操作系统或硬件改变）和一些只读寄存器就基本可以支持μClinux内核和基本命令行用户界面以及相关应用程序。查看at91_io_read/write_byte/halfword/word函数的实现可以看到所有操作系统需要访问的寄存器。

typedef struct at91_io { ARMword syscon; /* System control reg*/ ARMword sysflg; /* System status flags reg*/ ARMword intsr; /* Interrupt status reg */ ARMword intmr; /* Interrupt mask reg */ ARMword tcd[2]; /* Timer/counter data */ ARMword tcd_reload[2]; /* Last value written */ int tc_prescale; ARMword uartdr; /* Receive data register */ ARMword lcdcon; /* LCD control */ ARMword lcd_limit; /* 0xc0000000 <= LCD buffer < lcd_limit */ } at91_io_t;

下面的的字符串数组描述的是与UART相关的I/O寄存器的简称，它们会被μClinux访问。

static char *uart_reg[] = { "CR", "MR", "IER", "IDR", "IMR", "CSR", "RHR", "THR", "BRGR", "RTOR", "TTGR", "RES1", "RPR", "RCR", "TPR", "TCR", };

由于LCD模拟实现还在开发中，目前与LCD模拟实现相关的lcdcon和lcd_limit还没有用到。下面对一些关键的I/O模拟函数进行介绍：

• at91_io_reset：完成硬件执行reset后的寄存器状态模拟。
• at91_io_do_cycle：每个指令节拍中都会执行一次，模拟时钟累加、读取UART输入和网络数据包输入（在"SkyEye的网络模拟实现"一节中介绍）、产生中断等硬件操作。
• uart_read/uart_write：模拟读写uart寄存器的硬件操作。如写AT91的TCR寄存器(映射地址为0xfffd000f)，实际上是执行UART输出操作。
• at91_io_read/write_byte/halfword/word：模拟CPU读写中断处理、时钟、UART等相关I/O寄存器的硬件操作。这里需要注意两点：CPU读某些I/O寄存器（如Time Clock 1 Sr寄存器，映射地址为0xfffe0060）可能会改变另外一些寄存器的值，而这种情况在正常的内存访问中是不存在的；μClinux通过读取IVR寄存器（映射地址为0xfffff100）来查询中断源，但找到一个中断源后，IVR寄存器的相关位会清除。

这样SkyEye就可以很好地模拟基于AT91X40的开发板，而且μClinux针对真实基于AT91X40的开发板的内核和文件系统可以很好地在SkyEye上运行。

7. 基于ep7312的开发板
ep7312为Cirrus Logic公司基于ARM720T核的32位CPU，其核心为高性能的32位RISC体系结构，并具有高密度的16位指令集和极低的功耗，支持MMU/CACHE。ARM720核实际上是ARM7TDMI核加上一个8KB的数据和指令混合的CACHE，外部存储器和外围硬件通过AMBA总线主控单元访问，它还集成了MMU、写缓冲器（write buffer）、LCD控制器、中断控制器等。

ARM Linux包含对基于ep7312的开发板的BSP（Board Support Package）。通过分析ep7312体系结构和ARM Linux内核源码，SkyEye只需保存如下数据结构描述的寄存器、内部数据（这些寄存器和内部数据的值可能被操作系统或硬件改变）和一些只读寄存器就基本可以支持ARM Linux内核和基本命令行用户界面和相关应用程序。查看ep7312_io_read/write_byte/halfword/word函数的实现可以看到所有操作系统需要访问的寄存器。与MMU/CACHE相关的模拟实现可参考"SkyEye的MMU/CACHE和Memory模拟实现"一节。

typedef struct ep7312_io { ARMword syscon; /* System control */ ARMword sysflg; /* System status flags */ ARMword intsr; /* Interrupt status reg */ ARMword intmr; /* Interrupt mask reg */ ARMword tcd[2]; /* Timer/counter data */ ARMword tcd_reload[2]; /* Last value written */ int tc_prescale; ARMword uartdr; /* Receive data register */ ARMword lcdcon; /* LCD control */ ARMword lcd_limit; /* 0xc0000000 <= LCD buffer < lcd_limit */ } ep7312_io_t;

细心的读者可能注意到这里的结构与at91_io_t数据结构是一样的。其实它们在中断处理和UART处理上有所不同，但在时钟处理上很类似。有关LCD的模拟实现可参考"SkyEye的LCD模拟实现"。下面对一些关键的I/O模拟函数进行介绍：

• ep7312_io_reset：完成硬件执行reset后的寄存器状态模拟，它与at91_io_reset的内容基本一样。
• ep7312_io_do_cycle：每个指令节拍中都会执行一次，模拟时钟累加、读取UART输入、产生中断等硬件操作。
• ep7312_io_read/write_byte/halfword/word：模拟读写uart寄存器，LCD寄存器、中断处理和其它相关I/O寄存器的硬件操作，写UARTDR寄存器（映射地址为0x80000480），实际上是执行UART输出操作。

加上MMU/CACHE和内存模拟，SkyEye就可以很好地模拟基于ep7312的开发板，而且ARM Linux针对真实基于ep7312的开发板的内核和文件系统可以很好地在SkyEye上运行。

8. 基于StrongARM的开发板
目前基于StrongARM CPU核的CPU有SA-110、SA1100和SA1110。StrongARM CPU核是基于ARM v4 体系结构，并进行了大量的扩展，采用了独立的指令MMU/CACHE和数据MMU/CACHE，并增加了read buffer和write buffer。StrongARM体系结构的SA-1100/1110还包括LCD控制器、系统控制单元、DMA控制器、UART串口单元、定时器、实时时钟、中断控制器、电源管理控制器和28个通用I/O引脚等。用SA－1100组成的系统在PCB这一层次会比较简单，且功能强大。虽然目前Intel公司已经停止了对StrongARM结构的开发，但基于StrongARM体系结构的PDA曾经称雄一时，与Palm公司的PDA系列成两足鼎立之势。而且，理解StrongARM体系结构会有助于了解Intel公司新的XScale体系结构，二者有很多相近之处。

ARM Linux包含对基于StrongARM的开发板的BSP（Board Support Package）。通过分析基于StrongARM体系结构的SA1100内部细节和ARM Linux内核源码，SkyEye只需保存如下数据结构描述的寄存器、内部数据（这些寄存器和内部数据的值可能被操作系统或硬件改变）和一些只读寄存器就基本可以支持ARM Linux内核和基本命令行用户界面以及相关应用程序。查看ep7312_io_read/write_byte/halfword/word函数的实现可以看到所有操作系统需要访问的寄存器。与MMU/CACHE相关的模拟实现可参考错误！未找到引用源节。

typedef struct sa_io_t{ /*interrupt controller*/ u32 icpr; u32 icip; u32 icfp; u32 icmr; u32 iccr; u32 iclr; /*real time clock(RTC)*/ u32 rcnr; u32 rtar; u32 rtsr; u32 rttr; u32 rt_count; u32 rt_scale; /*core frequence to 32.768K*/ /*os timer*/ u32 oscr; u32 osmr0, osmr1, osmr2, osmr3; u32 ower; u32 ossr; u32 oier; u32 os_scale; /*uart3 controller*/ u32 utcr0; u32 utcr1; u32 utcr2; u32 utcr3; u32 utdr; u32 utsr0; u32 utsr1; }sa_io_t;

在上述结构中，包括四部分的I/O寄存器组：与中断控制相关的寄存器、与实时时钟控制相关的寄存器、与OS timer相关的寄存器和与UART 3（UART0-2在内核中没有使用，这里就没有模拟了）相关的寄存器。下面对一些关键的I/O模拟函数进行介绍：

• sa_io_reset：完成硬件执行reset后的寄存器状态模拟，这里只是把sa_io_t结构的变量sa_io清零。
• sa_io_do_cycle：每个指令节拍中都会执行一次，模拟实时时钟和OS timer的累加、判断UART 是否有输入、根据外设的状态产生中断（由skyeye_mach_sa.c中的函数refresh_irq实现）等硬件操作。
• sa_io_read/write_byte/halfword/word：模拟CPU读写中断处理、实时时钟、OS timer、UART3相关I/O寄存器的硬件操作，模拟读/写UTDR寄存器（映射地址为0x80050014），实际上是执行UART输入/输出操作。

加上MMU/CACHE和内存模拟，SkyEye就可以很好地模拟基于StrongARM的开发板，而且ARM Linux针对真实基于StrongARM的adsbitsy开发板的内核和文件系统可以很好地在SkyEye上运行。

9. 基于XScale的Lubbock开发板
支持XScale体系结构CPU的开发板目前已有数款，如代号为lubbock、 cerf、 idp等的开发板，这里分析的开发板是Intel推出的代号为Lubbock的经典开发板，它目前支持PXA25x系列CPU，有64MBytes SDRAM、32MBytes Boot ROM、32MBytes Flash ROM、USB插槽、PCMICA插槽、CF卡插槽、带有640x480的LCD显示器，可以称之为一个小型的全功能计算机。

ARM Linux对XScale体系结构的支持已经放到Linux-2.6.x内核中，目前由R.King维护，且已经支持多款基于XScale体系结构的开发板，而lubbock开发板是ARM Linux最早支持且支持得很全面的开发板之一。通过分析基于XScale体系结构的PXA250内部细节和ARM Linux内核源码，SkyEye只需保存如下数据结构描述的寄存器、内部数据（这些寄存器和内部数据的值可能被操作系统或硬件改变）和一些只读寄存器就基本可以支持ARM Linux内核和基本命令行用户界面以及相关应用程序。查看pxa_io_read/write_byte/halfword/word函数的实现可以看到所有操作系统需要访问的寄存器。与MMU/CACHE相关的模拟实现可参考"SkyEye的MMU/CACHE和Memory模拟实现"一节。

typedef struct pxa_io_t{ /*interrupt controller*/ u32 icpr; u32 icip; u32 icfp; u32 icmr; u32 iccr; u32 iclr; /*real time clock(RTC)*/ u32 rcnr; u32 rtar; u32 rtsr; u32 rttr; u32 rt_count; u32 rt_scale; /*os timer*/ u32 oscr; u32 osmr0, osmr1, osmr2, osmr3; u32 ower; u32 ossr; u32 oier; u32 os_scale; /*full function uart controller*/ u32 ffrbr; u32 ffthr; u32 ffier; u32 ffiir; u32 fffcr; u32 fflcr; u32 ffmcr; u32 fflsr; u32 ffmsr; u32 ffspr; u32 ffisr; u32 ffdll; u32 ffdlh; /*bluetooth function uart controller*/ u32 btrbr; u32 btthr; u32 btier; u32 btiir; u32 btfcr; u32 btlcr; u32 btmcr; u32 btlsr; u32 btmsr; u32 btspr; u32 btisr; u32 btdll; u32 btdlh; /*standard uart controller*/ u32 strbr; u32 stthr; u32 stier; u32 stiir; u32 stfcr; u32 stlcr; u32 stmcr; u32 stlsr; u32 stmsr; u32 stspr; u32 stisr; u32 stdll; u32 stdlh; /*core clock*/ u32 cccr; u32 cken; u32 oscc; }pxa_io_t;

下面对一些关键的I/O模拟函数进行介绍：

• pxa_io_reset：完成硬件执行reset后的寄存器状态模拟。这里除了把sa_io_t结构的变量sa_io清零，还有执行如下指令 pxa_io.cccr = 0x121; // 1 0010 0001 pxa_io.cken = 0x17def; 这是PXA25x CPU在重启（reset）时，与Core Clock控制器相关的两个寄存器的初始值。
• pxa_io_do_cycle：每个指令节拍中都会执行一次，模拟实时时钟和OS timer的累加、判断Full Function UART是否有输入、根据外设的状态产生中断（由skyeye_mach_pxa.c中的函数refresh_irq实现）等硬件操作。
• pxa_io_read/write_byte/halfword/word：模拟CPU读写中断处理、实时时钟、OS timer、Full Function UART、Core Clock控制器相关I/O寄存器的硬件操作，模拟读FFRBR寄存器（映射地址为0x40100000）/写FFTHR寄存器（映射地址为0x40100000），实际上是执行UART输入/输出操作。

加上MMU/CACHE和内存模拟，SkyEye就可以很好地模拟基于XScale体系结构的开发板，而且ARM Linux针对真实基于XScale体系结构的lubbock开发板的内核和文件系统可以很好地在SkyEye上运行。