（计算机软件与理论专业论文）pxa250软件仿真器的设计与实现.pdf

东北大学硕士学位论文 摘 要 p x a 2 5 0 软件仿真器的设计与实现 摘要 随着现代i t 技术的发展、嵌入式技术已 经被广发的应用到日 常生活中。 从我们日 常使用 的手机，照相机， 打印 机中都可以 看到嵌入式技术应用的例子。嵌入式处理器在嵌入式系统 中扮演着非常重要的角色。嵌入式处理器的发展从最初的8 位到现在的3 2 位，无论从功能还 是集成度都有了 很大的提高。从9 0 年代初期发展的a r m处理器更是嵌入式处理器中的土流 处理器。2 0 0 2 年，i n t e l 公司推出了用于移动通信终端的应用处理器p x a 2 5 0目 前广泛的用于 产品的开发中。 在嵌入式系统开发中，由于物理硬件的开发滞后于软件的开发，这样很大程度上影响了 项目的进度。所以基于特定处理器的指令仿真器解决了这个问题。软件在指令仿真器上进行 开发，然后移植到目 标处理器上。这样的开发方法提高了项目的进度。但是一般的指令仿真 器的费用比较昂 贵，导致嵌入式系统的开发人员和初学者不能够使用指令仿真器去开发和学 习。这样影响了嵌入式技术的开发和教育。 基于上述原因，本论文讨论了 如何设计和实现p x a 2 5 0软件仿真器，并且设计和实现了 仿真器的调试系统。 本论文首先分析和总结的a m 处理器的体系结构， a r m指令集， p x a 2 5 0 处理器等。然后讨论了如何设计和实现 p x a 2 5 0应用处理器及存储器管理器，桥控制器，串 口 设备。由于嵌入式系统的调试系统在嵌入式系统开发中也扮演着非常重要的角色， 本论文 也设计和实现了简单的调试系统。最后， 给出了 对系统的客观、全面的评价，并对进一步改 进提出了建议。 关键词 a r m p x a 2 5 0 应用处理器 处理器 仿真器 嵌入式系统调试系统 东北大学硕士学位论文ab s tr a c t p xa2 5 0 s o f t wa r e e mu l a t o r s d e s i g n a n d i mp l me n t i o n ab s t r a c t wi t h t h e d e v e l o p m e n t o f i t t e c h n o l o g y , e m b e d d e d s y s t e m h a d b e e n a p p l i e d i n o u t l i v e s w i d e l y . f r o m s o m e t h i n g s s u c h a s m o b i l e p h o n e , c a m e r a a n d p r i n t e r , w e c o u l d s e e m an y e x a m p l e s i n w h i c h e m b e d s y s t e m a r e a p p l i e d . i n e m b e d d e d s y s t e m , e m b e d d e d p r o c e s s o r p l a y a v e ry i m p o r t and r o l e , i n r e c e n t y e a r s , e m b e d d e d p r o c e s s o r h a d b e e n d e v e l o p e d f r o m t h e o r i n g a l 8 b it t o 3 2 b i t n o w . i n e m b e d d e d p r o c e s s o r , a r m p r o c e s s o r i s t h e m a i n p r o c e s s o r b e e n u s e d n o w w h ic h w a s d e v e l o p e d b y a r m c o m p a n y f r o m 9 0 h la s t c e n t r y . i n 2 0 0 2 , 1 n t e i p r o v id e m a r k e t w it h a n e w a p p l y p r o c e s s o r w h i c h i s n o w u s e d i n m o b i l e c o m m u n i c a t i o n t e m i n a l . i n t h e d e v e l o p m e n t f o r e m b e d d e d s y s t e m , t h e d e v e l o p m e n t o f h a r d w a r e i s o ft e n l a t e r t h a n d e v e l o p m e n t o f s o ft w a r e , b e c a u s e o f t h e r e a s o n ; t h e e m b e d d e d s y s t e m s c h e d u l e r i s o ft e n i n fl u e n c e d . t h e i n s t r u c t i o n e m u l a t o r b a s e d o n s p e c f i c e d p r o c e s s o r i s t o r e s o l v e t h e q u e s t i o n . t h e s o ft w a r e i s i n i t i a l l y d e v e l o p e d o n t h e i n s t r u c t i o n e m u l a t o r a n d t h e n p o r t e d t o t a r g e t p r o c e s s o r . w i t h t h e t e c e n o l o g y o f i n s t r u c t i o n e m u l a t o r , i t i n c r e a s e s t h e s p e e d o f p r o j e c t d e v e l o p m e n t h o w e v e r t h e c o s t o f i n s tr u c t i o n e m u l a t o r is s o h i g h s o s o m e e m b e d d e d s y s t e m d e v e l o p e r and e m b e d d e d s y s t e m l e a r n e r c o u l d n o t u s e i n s tr u c t i o n e m u l a t o r t o d e v e l o p o r t o l e r a n , t h i s c a u s e t h e e m b e d d e d s y s t e m t e c e n o l o y s d e v e l o p m e n t and e d u c a t i o n . b as e d o n t h e a b o v e r e a s o n , t h e d o c u m e n t d i s c u s s e s h o w t o d e s i g n a n d im p l e m e n t p x a 2 5 0 s o ft w a r e e m u l a t o r . a t f i r s t , t h e p a p e r a n a l y s i s e s and s u m m a r i z e s t h e a r m p r o c e s s o r s a r c h i t e c t u r e , a r m i n s t r u c t i o n , p x a 2 5 0 p r o c e s s o r e t c , a n d t h e n d i s c u s s h o w t o d e s i g n a n d i m p l e m e n t p x a 2 5 0 s o ft w a r e e m u l a t o r . a s f o r s o m e c o m p o n e n t s , s u c h as m e m o ry c o n tr o l l e r , b r i d g e c o n t r o l l e r , u a r t d e v i c e , t h e p a p e r a l s o g i v e an i m p l e m e n t i o n . b e c a u s e t h e d e b u g s y s t e m i s v e r y i m p o r t a n t i n d e v e l o p m e n t o f e m b e d s y s t e m .t h e p a p e r a l s o g i v e a d e s i g n a n d i m p l m e n t i o n - 1 1 1 东北大学硕士学位论文ab s t r a c t f o r a s i m p l e d e b u g s y s t e m . i n t h e e n d , t h e p a p e r g i v e s a s u m m a r y f o r t h e s y s t e m a n d g i v e s s o m e s u g g e s t i o n f o r t h e s y s t e m . k e y w o r d s a r m p x a 2 5 0 , p r o c e s s o r , e m u l a t o r , e m b e d e d s y s t e m, d e b u g s y s t e m , d e b u g g e r 一 ， v- 东北大学硕十学位论文 声 明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学 位 论 文 作 者 签 名 :卞条乞 日期:z s w s i , 1 2 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定:即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流， 请在下方签名; 否则视为不同意。 ) 学位论文作者签名: 签字日期: 卞 补 彻 y s 、 i, 1,2 导师签名: 签字日期 东北大学硕士学位论文 第一章 概 述 第一章 概述 本章节简要概述了a r m 处理器的历史和发展状况，p x a 2 5 0应用处理器。介绍了软件 仿真器的概念，本论文的背景和意义。 1 . 1 a r m 处理器的历史，现在和未来 a r m 处理器是一个精简指令集的处理器。精简指令集处理器由 s t a n f o r d的研究人员在 1 9 8 0 提出。 1 9 8 3 / 1 0 - 1 9 8 5 / 4 英国剑桥大学的a c o rn计算机公司研制出了第一个a r m处理器。 a r m处理器即a d v a n c e d r i s c ma c h i n e . 随后在a c o rn公司的基础上成立了a r m公司。 在 1 9 8 3 年， a c o rn公司成功的开发了b b c微型电脑，并在市场上占有主导地位。该微 型电 脑使用一个8 位的6 5 2 0 处理器， 能 够接受许多电台 频道。由 于该电 脑的成功， a c o rn公 司希望开发 1 6 位的处理机。但是当时市场上的 1 6 位 c i s c处理器的不能够满足要求，因为 该处理器的速度比内存组件的速度慢。当时的 c i s c处理器一个指令通常要消耗好几百个指 令周期去完成操作。因为没有找到合时的 处理器， a c o r n公司决定设计自己的嵌入式位处理 器， a r m处理器就这 样诞生了， 并且 成为了a c o rn公司的核 心产品。 n r n r2 7 目 前a r m公司是嵌入式r i s c处理器的知识产权 i p供应商，它为a r m处理器提供了 a r m处理器内核 ( a r m 7 t d m i , a r m 9 t d m i 及a r m i o t d mi 等) 和a r m处理器核( a r m7 1 0 t / 7 2 0 t / 7 4 0 t . a r m9 2 0 t / 9 2 2 t / 9 4 0 t , a r m9 2 6 e / 9 6 6 e及 a r m i 0 2 0 e等) 。其他半导 体公司在上述的处理器内核或者处理器核的基础上进行了再次设计，整合了各种外围设备， 最后形成了 各种嵌入式处理器。r2 以下是目 前市场上面常见的基于a r m处理器内核或者处理器和的微处理器。 表 1 . 1目前市场上的a r m处理器 t a b l e 1 . 1 a r m p r o c e s s o r s i n c u r r e n t m a r k e t no处理器名称所属公司 a r m处理器内核或者处理器核 is a- 1 1 0i n t e l 公司 s t r o n g a r m内 核 2 ml 6 7 0 0 0 系列o k i 公司a r m7 t d mi 内核 3 b u 6 6 1 6 k系列 s a m s u n g 公司 a r m7 t d mi 内核 4a t 9 1 系列a t me l公司a r m7 t d mi 内核 5gm s 3 0 c7 21 0 h y u n d a i 公司a r m7 t d mi 内核 6 c l - p s 系列c i r r o s 公司a r m 7 2 0 t内核 7 l 7 2 0系列 l in k u p 系统公司 a r m 7 2 0 t内核 8l h 7 7 7 9 0系列 s h a r p 公司a r m 7 t d内 核 从上 表可以看山，目 前市场的a r m系列的产品，多是以a r m7 系列的内核为基础的。 一i- 东北大学硕士学位论文 第一章 概 述 第一章 概述 本章节简要概述了a r m 处理器的历史和发展状况，p x a 2 5 0应用处理器。介绍了软件 仿真器的概念，本论文的背景和意义。 1 . 1 a r m 处理器的历史，现在和未来 a r m 处理器是一个精简指令集的处理器。精简指令集处理器由 s t a n f o r d的研究人员在 1 9 8 0 提出。 1 9 8 3 / 1 0 - 1 9 8 5 / 4 英国剑桥大学的a c o rn计算机公司研制出了第一个a r m处理器。 a r m处理器即a d v a n c e d r i s c ma c h i n e . 随后在a c o rn公司的基础上成立了a r m公司。 在 1 9 8 3 年， a c o rn公司成功的开发了b b c微型电脑，并在市场上占有主导地位。该微 型电 脑使用一个8 位的6 5 2 0 处理器， 能 够接受许多电台 频道。由 于该电 脑的成功， a c o rn公 司希望开发 1 6 位的处理机。但是当时市场上的 1 6 位 c i s c处理器的不能够满足要求，因为 该处理器的速度比内存组件的速度慢。当时的 c i s c处理器一个指令通常要消耗好几百个指 令周期去完成操作。因为没有找到合时的 处理器， a c o r n公司决定设计自己的嵌入式位处理 器， a r m处理器就这 样诞生了， 并且 成为了a c o rn公司的核 心产品。 n r n r2 7 目 前a r m公司是嵌入式r i s c处理器的知识产权 i p供应商，它为a r m处理器提供了 a r m处理器内核 ( a r m 7 t d m i , a r m 9 t d m i 及a r m i o t d mi 等) 和a r m处理器核( a r m7 1 0 t / 7 2 0 t / 7 4 0 t . a r m9 2 0 t / 9 2 2 t / 9 4 0 t , a r m9 2 6 e / 9 6 6 e及 a r m i 0 2 0 e等) 。其他半导 体公司在上述的处理器内核或者处理器核的基础上进行了再次设计，整合了各种外围设备， 最后形成了 各种嵌入式处理器。r2 以下是目 前市场上面常见的基于a r m处理器内核或者处理器和的微处理器。 表 1 . 1目前市场上的a r m处理器 t a b l e 1 . 1 a r m p r o c e s s o r s i n c u r r e n t m a r k e t no处理器名称所属公司 a r m处理器内核或者处理器核 is a- 1 1 0i n t e l 公司 s t r o n g a r m内 核 2 ml 6 7 0 0 0 系列o k i 公司a r m7 t d mi 内核 3 b u 6 6 1 6 k系列 s a m s u n g 公司 a r m7 t d mi 内核 4a t 9 1 系列a t me l公司a r m7 t d mi 内核 5gm s 3 0 c7 21 0 h y u n d a i 公司a r m7 t d mi 内核 6 c l - p s 系列c i r r o s 公司a r m 7 2 0 t内核 7 l 7 2 0系列 l in k u p 系统公司 a r m 7 2 0 t内核 8l h 7 7 7 9 0系列 s h a r p 公司a r m 7 t d内 核 从上 表可以看山，目 前市场的a r m系列的产品，多是以a r m7 系列的内核为基础的。 一i- 东北大学硕士学位论文 第一章 概 述 其中的a r m7 t d mi 的含义如下。 i ) a r m7 :具有3 2 位运算能力的a r m核。 2 ) t :处理器支持t h u m b 指令。 3 ) d :处理器支持片内调试。 4 ) m:处理器支持增强性乘法器。 5 ) - e :处理器支持d s p . 6 ) - j :处理器可以 直接运行j a v a 字节码。 a r m处理器的体系架构从开始到现在已 经变化了6 次，形成了6 种不同的版本。 每一 版本所支持的基本性能如下 : 1 版本1 支持的功能 1 ) 基本的 数据处理指令 2 ) 基本的 字节/ 半 字和字的l o a d / s t o r e 指令。 3 ) 调转指令， 包括函数调 用和连接指 令。 4 ) 能够寻址的空间 最大为6 4 m ( 2 6 位) 。 改版本的结构没有出现在市场上面， 只在最开始的 原型机种使用了。 2 . 版本2 支持的功能 次版本对版本 1 进行了扩展，并且增加了如下的功能。 i ) 乘法指令和乘加指令。 2 ) f i q支持。 3 ) 协处理操作指令支持。 4 ) 存储器和寄存器交换指令。 3 . 版本3 支持的功能 从此版本开始， 寻址空间变为4 g ( 3 2 位) 。 增加了 程序状态寄存器和程序状态保存寄存 器。这样可以方便对于中断的快速处理。同时增加了a b o r t 和u n d e f i n e d两种处理器异 常模式。 指令集方面的变化主要是增加了ms r / m r s 指令以 便访问程序状态寄存器和程 序状态保存寄存器。同时增加了 从异常处理返回的功能。a r m 6 支持版本3 . 4 . 版本4 支持的功能 此版本的架构在版本 3的基础上作了 更进一步的扩展，使目 前使用范围最广发的a r m 处理器架构。其主要支持了如下的功能。 i ) t h u m b 指令集的支持。 2 ) 有符号和无符号的 半字 及符号 化字节的 存取指 令。 3 ) s wi 支持。 4 ) 处 理器系 统模式引 进特权 模式方 便了 用 户寄 存器的 操作。 5 ) 进一步完善了 未定义指 令的 处理。 目 前a r m 7 / a r m s /a r m 9 / s t r o n g a r m都 采 用了 此 版 本的 架构。 5 版本5 支持的功能 此版本的架构比 版本4 的架构多了一些指令的支持。 一2. 东北大学硕士学位论文第一章 概 述 1 ) b l x指令支持。 2 ) c l z 指令支持。 3 ) b r k指令支持。 4 ) d s p 处理指令支持。 目 前a r m1 0 / x s c a l e 都采用了 此版本的架构。 6 . 版本6 支持的功能 此版本是目 前最新的 版本，与2 0 0 2 年推出。 在版本5 的基础上增加了 如下的功能。 1 ) t h u m b , 提高了 压 缩率。 2 ) 扩充了d s p的功能。 3 ) j a v a 性能的提高。 4 ) m e d i a 功能的扩充。 纵观a r m处理器架构版本的变化， a r h ， 处理器越来越向 着网络化， 多媒体化的方向 发 展，相信在不久的将来， a n， 处理器将会给嵌入式领域带来更大的机遇和发展。 1 . 2应用处理器的概念 嵌入式系统主要由嵌入式处理器，嵌入式系统软件和嵌入式应用软件组成。但是嵌入式 系统有不同的 应用形式， 不同的形式决定了不同的嵌入式系统架构。目 前主要有三种嵌入式 系统的架构。f2 , 1 . i p 级的 架构。 i p 级的架构是系统级芯片的形式 ( s o c ) 。该架构把不同的i p单元根据应用的要求集成 在一块芯片上面，并且嵌入式软件也可以 集成在这个芯片上面。 2 .芯片级的架构。 嵌入式系统中最常见的是芯片级的架构。芯片级的架构是根据应用的要求，可以选择相 应的处理器芯片， 内存组件， 1 o接口 芯片等组成相应的嵌入式系统。 相应的系统软件和应用 软件也固化在r o m中。 3 .模块级的架构。 模块级的架构是以x 8 6 处理器沟通的计算机系统模块嵌入到应用系统中。 把操作系统改 造为嵌入式操作系统， 把应用软件固 化在固 态盘中。这样这种系统体积小， 可靠性好，具各 了常用p c的通用性和便利性。 这种嵌入式系统多用于工业控制系统中。 i n t e l 公司在2 0 0 0 年9 月推出了 基于s t r o n g a r m/ x s c a l e 处理器的面向互联网的嵌入式系 统的 架构，即i n t e l 个人 互联网用 户架 构p c a ( p e r s o n a l i n t e rn e t c l i e n t a r c h it e c t u r e ) . ? c a 架构由应用子系统，通信子系统和内存子系统组成。p c a 的应用子系统是由 s t r o n g a r m / x s c a l e 处 理器 组 成的 。 该 处 理 器 在嵌 入 式 系统的 支 持 下， 管 理扩充 设备内 存， 用 户输入输出，电源管理及通信子系统之间的交互。 p c a子系统是由一个或者多个处理器构 成完成通信协议的处理。为了 提高实时处理的性能， 也可以增加d s p 。内存子系统提供低电 东北大学硕士学位论文第一章 概 述 1 ) b l x指令支持。 2 ) c l z 指令支持。 3 ) b r k指令支持。 4 ) d s p 处理指令支持。 目 前a r m1 0 / x s c a l e 都采用了 此版本的架构。 6 . 版本6 支持的功能 此版本是目 前最新的 版本，与2 0 0 2 年推出。 在版本5 的基础上增加了 如下的功能。 1 ) t h u m b , 提高了 压 缩率。 2 ) 扩充了d s p的功能。 3 ) j a v a 性能的提高。 4 ) m e d i a 功能的扩充。 纵观a r m处理器架构版本的变化， a r h ， 处理器越来越向 着网络化， 多媒体化的方向 发 展，相信在不久的将来， a n， 处理器将会给嵌入式领域带来更大的机遇和发展。 1 . 2应用处理器的概念 嵌入式系统主要由嵌入式处理器，嵌入式系统软件和嵌入式应用软件组成。但是嵌入式 系统有不同的 应用形式， 不同的形式决定了不同的嵌入式系统架构。目 前主要有三种嵌入式 系统的架构。f2 , 1 . i p 级的 架构。 i p 级的架构是系统级芯片的形式 ( s o c ) 。该架构把不同的i p单元根据应用的要求集成 在一块芯片上面，并且嵌入式软件也可以 集成在这个芯片上面。 2 .芯片级的架构。 嵌入式系统中最常见的是芯片级的架构。芯片级的架构是根据应用的要求，可以选择相 应的处理器芯片， 内存组件， 1 o接口 芯片等组成相应的嵌入式系统。 相应的系统软件和应用 软件也固化在r o m中。 3 .模块级的架构。 模块级的架构是以x 8 6 处理器沟通的计算机系统模块嵌入到应用系统中。 把操作系统改 造为嵌入式操作系统， 把应用软件固 化在固 态盘中。这样这种系统体积小， 可靠性好，具各 了常用p c的通用性和便利性。 这种嵌入式系统多用于工业控制系统中。 i n t e l 公司在2 0 0 0 年9 月推出了 基于s t r o n g a r m/ x s c a l e 处理器的面向互联网的嵌入式系 统的 架构，即i n t e l 个人 互联网用 户架 构p c a ( p e r s o n a l i n t e rn e t c l i e n t a r c h it e c t u r e ) . ? c a 架构由应用子系统，通信子系统和内存子系统组成。p c a 的应用子系统是由 s t r o n g a r m / x s c a l e 处 理器 组 成的 。 该 处 理 器 在嵌 入 式 系统的 支 持 下， 管 理扩充 设备内 存， 用 户输入输出，电源管理及通信子系统之间的交互。 p c a子系统是由一个或者多个处理器构 成完成通信协议的处理。为了 提高实时处理的性能， 也可以增加d s p 。内存子系统提供低电 东北大学硕士学位论文 第一章 概 述 压，低功耗，高级程度的f l a s h / s r a m / d r a m的管理。支持分级存储体系，告诉缓存，片上 内存，系统内存等。 我们可以认为i n t e l 公司提出的p c a架构是嵌入式系统的第四种架构，作为该架构中的 应用子系统的嵌入式处理器， i n t e l 公司推出了x s c a l e 处理器。x s c a le 和是采用a r m v s t e 架构的 处理器， 使 i n t e l 公司的 s t r o n g a r m 的 换 代产品。 x s c a l e 是以 核的 形式作为 a s s p ( a p p l ic a t io n s p e c i f ic s t a n d a r d p r o d u c t o r ) .i n t e l 公司的p x a 2 5 0 和p x a 2 1 0 应用处理器就是 为手持设备设计的a s s p . i n t e l p x a 2 5 0 / 2 1 0 微处理器是f 一代手持多媒体应用处理器，基于 x s c a l e 结构的高性 能低功耗微处理器， 广泛应用于无线、 手持和 i n t e r n e t 设备当中。工 n t e l p x a 2 5 0内核是一 个3 2 - b i t 的微处理器， 但是在他的结构设计中， 处理器内核部分仅占了整个芯片的1 5 % . 绝 大部分区域是为了 提高其性能的集成程度和增强电 源管理，降低芯片甚至是系统的功耗。 i n t e l p x a 2 5 0 内核是一个i n t e l x s c a l e 内 核微处理器。 i n t e l x s c a l e 本身是一个3 2 - b i t 的r i s c 为 结构。 采用先进的 a r m 技术， 是目 前世界上交流行得3 2 - b i t 嵌入式c p u 。 在技术_ f a r m和i n t e l x s c a l e 两者完全兼容。因此在采用i n t e l p x a 2 5 0 应用处理器进行软件开发时， 原来为a r m开发 的 代 码 完 全可以 进 行移 植， 或直 接 在 基 于in te l x s c a le 的 微 处 理 器上 运 行。 z1 s ul i l l 1 . 3软件仿真器的概念及国内外相关产品 软件仿真器是一种软件，其通过对目 标处理器的指令进行仿真执行， 使在目 标处理器 上运行的程序也能够在仿真器上 运行。 仿真器和模拟器的 概念有所不同。仿真器是旨在通过 构造系统内部的行为，达到和所仿真的系统同 样的 外部行为。模拟器是对系统外部行为的 模 拟器的一种软件。 所以 两者在模拟的层次上是有所不同的。 软件仿真器通常有三种实现方式， 这三种实现方式如下: 1 ) 指令解释执行; 仿真器通 过从 存储器读 取一 条指令， 然后执行相关的 处理 操作， 接 着再读取指令，再执行等。但是这种模型的缺点是效率较低。 2 ) 静态重编译: 通过特定的 程 序， 将 运行 在目 标处理器上的 代码 翻译成当 前处理 器的 执行代码。这样就会产生新的可执行文件， 这个可执行文件将会运行在当 前处理器 上。这种模型的效率比较高，但是难以实现。 3 ) 动态重编译: 本质上和静态重编译是一样的。 但是它在代码执行时开始重 编译的， 而不是一次性把所有的代码转化完毕。 这样做可以弥补静态重编的缺点，即可以编 译自 修改的代码，而且速度较快。 本论文使用了 指令解释执行的方式进行了仿真。 目 前在国内国 外有许多基于a r m的软件仿真器， 包括专业厂商提供的以 及开源工程提 供的， 参考如下: 1 ) s k y e y e : s k y e y 。 是 一个开 源软件 项目 ， 中 文名字是“ 大目 ” . s k y e y e 的目 标是在通 用的l i n u x 和wi n d o w s 平台上实现一个仿真集成开发环境， 模拟常见的嵌入式计算 东北大学硕士学位论文 第一章 概 述 压，低功耗，高级程度的f l a s h / s r a m / d r a m的管理。支持分级存储体系，告诉缓存，片上 内存，系统内存等。 我们可以认为i n t e l 公司提出的p c a架构是嵌入式系统的第四种架构，作为该架构中的 应用子系统的嵌入式处理器， i n t e l 公司推出了x s c a l e 处理器。x s c a le 和是采用a r m v s t e 架构的 处理器， 使 i n t e l 公司的 s t r o n g a r m 的 换 代产品。 x s c a l e 是以 核的 形式作为 a s s p ( a p p l ic a t io n s p e c i f ic s t a n d a r d p r o d u c t o r ) .i n t e l 公司的p x a 2 5 0 和p x a 2 1 0 应用处理器就是 为手持设备设计的a s s p . i n t e l p x a 2 5 0 / 2 1 0 微处理器是f 一代手持多媒体应用处理器，基于 x s c a l e 结构的高性 能低功耗微处理器， 广泛应用于无线、 手持和 i n t e r n e t 设备当中。工 n t e l p x a 2 5 0内核是一 个3 2 - b i t 的微处理器， 但是在他的结构设计中， 处理器内核部分仅占了整个芯片的1 5 % . 绝 大部分区域是为了 提高其性能的集成程度和增强电 源管理，降低芯片甚至是系统的功耗。 i n t e l p x a 2 5 0 内核是一个i n t e l x s c a l e 内 核微处理器。 i n t e l x s c a l e 本身是一个3 2 - b i t 的r i s c 为 结构。 采用先进的 a r m 技术， 是目 前世界上交流行得3 2 - b i t 嵌入式c p u 。 在技术_ f a r m和i n t e l x s c a l e 两者完全兼容。因此在采用i n t e l p x a 2 5 0 应用处理器进行软件开发时， 原来为a r m开发 的 代 码 完 全可以 进 行移 植， 或直 接 在 基 于in te l x s c a le 的 微 处 理 器上 运 行。 z1 s ul i l l 1 . 3软件仿真器的概念及国内外相关产品 软件仿真器是一种软件，其通过对目 标处理器的指令进行仿真执行， 使在目 标处理器 上运行的程序也能够在仿真器上 运行。 仿真器和模拟器的 概念有所不同。仿真器是旨在通过 构造系统内部的行为，达到和所仿真的系统同 样的 外部行为。模拟器是对系统外部行为的 模 拟器的一种软件。 所以 两者在模拟的层次上是有所不同的。 软件仿真器通常有三种实现方式， 这三种实现方式如下: 1 ) 指令解释执行; 仿真器通 过从 存储器读 取一 条指令， 然后执行相关的 处理 操作， 接 着再读取指令，再执行等。但是这种模型的缺点是效率较低。 2 ) 静态重编译: 通过特定的 程 序， 将 运行 在目 标处理器上的 代码 翻译成当 前处理 器的 执行代码。这样就会产生新的可执行文件， 这个可执行文件将会运行在当 前处理器 上。这种模型的效率比较高，但是难以实现。 3 ) 动态重编译: 本质上和静态重编译是一样的。 但是它在代码执行时开始重 编译的， 而不是一次性把所有的代码转化完毕。 这样做可以弥补静态重编的缺点，即可以编 译自 修改的代码，而且速度较快。 本论文使用了 指令解释执行的方式进行了仿真。 目 前在国内国 外有许多基于a r m的软件仿真器， 包括专业厂商提供的以 及开源工程提 供的， 参考如下: 1 ) s k y e y e : s k y e y 。 是 一个开 源软件 项目 ， 中 文名字是“ 大目 ” . s k y e y e 的目 标是在通 用的l i n u x 和wi n d o w s 平台上实现一个仿真集成开发环境， 模拟常见的嵌入式计算 东北大学硕十学位论文 第一章 概 述 机系 统( 目 前支持基于a r m 7 t d m i 的a t 4 1 开 发板) 。 目 前可以 在s k y e y e 上运行u c l i n u x 以 及u c / o s - i i 等多种嵌入式操作系统， 并且对他们进行源代码的分析和测试。 2 ) a r m u l a t o r : a r m 公司的的指令仿真器，其能够在 wi n d o w s 上面运行基于各系列 a r m处理器的开发。 但是不支持外部设备的仿真。 3 ) g d b - a r m u l a t o r : g d b调试器中带有一个内 嵌的 a r m 指令仿真器，能够仿真基于 a r m7 t d mi 的a r m处理器，并且能够仿真串口设 各。 4 ) s im i t - a r m : 是国 外一个开 源工 程， 支持 较高的 仿真心能， 并且支持多 处理器仿真。 目 前该工程已经不再维护。 其它的仿真器通常都是基于硬件和软件来完成仿真的，就不具体论述了。 1 . 4本论文的背景和意义 2 0 0 3年我在沈阳东软软件股份有限公司 a p n - i a事业部进行实习时。 参与了一个基于 p x a 2 5 。 应用处理器的项目 开发。由 于没有及时得到p x a 2 5 0 处理器及相关硬件， 项目 的 进 度受到了 很大的影响， 这个问 题促使我产生了开发一个p x a 2 5 0 的软件仿真器的想法。在项 目中 我也了 解到由于缺乏这样的环境， 不仅仅使项目 的 进度受到了 影响，同时许多嵌入式系 统初学者也希望能够有这样一个环境去学习 基于a r n ! 处理器的嵌入式系统开发。因为专业 厂商提供的开发环境的价格非常的昂 贵， 开发人员不能 够利用这些环境去学习嵌入式系统的 开发。 所以许多人员也迫切的需要这样一个仿真器。 在实习期间， 与很多开发人员沟通后发现，大家对于嵌入式系统开发的基本原理缺乏了 解，譬如仅仅知道如何使用专业厂商提供的调试系统去调试程序，但是不知道调试系统的基 本原理， 也影响了开发人员的技术水平的 提高。 所以本系统也设计和实现了一个简单的调试 系统，用以说明调试系统中的基本概念。 c + + 语言的设计者设计c + + 语言的原因之一是因为缺少面向 对象的 程序设 计语言来实现 系统仿真和开发， 所以本系统使用了 面向 对象的设计方法和c 斗 + 语言设计和实现了 一个仿真 系统。 本系统的完成具有如下的意义: 1 ) 能够利用该系统进行简单嵌入式系 统的开发. 2 ) 能 够利用该系统学习基于a r m处理器的嵌入式系统的开发，可以 解决嵌入式系统 初学者没有指令仿真器的困 境。 3 ) 能够利用该系统熟悉调试系统的 基本原理和实现方法。 1 . 5论文组织 本文通过对a r m / x s c a l e 处理器的体系结构和指令集进行分析， 提出了在i a架构上如何 设计和实现指令仿真器的方法，并且提出了系统设计，完成指令仿真器的开发。全文共分 6 东北大学硕十学位论文 第一章 概 述 机系 统( 目 前支持基于a r m 7 t d m i 的a t 4 1 开 发板) 。 目 前可以 在s k y e y e 上运行u c l i n u x 以 及u c / o s - i i 等多种嵌入式操作系统， 并且对他们进行源代码的分析和测试。 2 ) a r m u l a t o r : a r m 公司的的指令仿真器，其能够在 wi n d o w s 上面运行基于各系列 a r m处理器的开发。 但是不支持外部设备的仿真。 3 ) g d b - a r m u l a t o r : g d b调试器中带有一个内 嵌的 a r m 指令仿真器，能够仿真基于 a r m7 t d mi 的a r m处理器，并且能够仿真串口设 各。 4 ) s im i t - a r m : 是国 外一个开 源工 程， 支持 较高的 仿真心能， 并且支持多 处理器仿真。 目 前该工程已经不再维护。 其它的仿真器通常都是基于硬件和软件来完成仿真的，就不具体论述了。 1 . 4本论文的背景和意义 2 0 0 3年我在沈阳东软软件股份有限公司 a p n - i a事业部进行实习时。 参与了一个基于 p x a 2 5 。 应用处理器的项目 开发。由 于没有及时得到p x a 2 5 0 处理器及相关硬件， 项目 的 进 度受到了 很大的影响， 这个问 题促使我产生了开发一个p x a 2 5 0 的软件仿真器的想法。在项 目中 我也了 解到由于缺乏这样的环境， 不仅仅使项目 的 进度受到了 影响，同时许多嵌入式系 统初学者也希望能够有这样一个环境去学习 基于a r n ! 处理器的嵌入式系统开发。因为专业 厂商提供的开发环境的价格非常的昂 贵， 开发人员不能 够利用这些环境去学习嵌入式系统的 开发。 所以许多人员也迫切的需要这样一个仿真器。 在实习期间， 与很多开发人员沟通后发现，大家对于嵌入式系统开发的基本原理缺乏了 解，譬如仅仅知道如何使用专业厂商提供的调试系统去调试程序，但是不知道调试系统的基 本原理， 也影响了开发人员的技术水平的 提高。 所以本系统也设计和实现了一个简单的调试 系统，用以说明调试系统中的基本概念。 c + + 语言的设计者设计c + + 语言的原因之一是因为缺少面向 对象的 程序设 计语言来实现 系统仿真和开发， 所以本系统使用了 面向 对象的设计方法和c 斗 + 语言设计和实现了 一个仿真 系统。 本系统的完成具有如下的意义: 1 ) 能够利用该系统进行简单嵌入式系 统的开发. 2 ) 能 够利用该系统学习基于a r m处理器的嵌入式系统的开发，可以 解决嵌入式系统 初学者没有指令仿真器的困 境。 3 ) 能够利用该系统熟悉调试系统的 基本原理和实现方法。 1 . 5论文组织 本文通过对a r m / x s c a l e 处理器的体系结构和指令集进行分析， 提出了在i a架构上如何 设计和实现指令仿真器的方法，并且提出了系统设计，完成指令仿真器的开发。全文共分 6 东北大学硕十学位论文 第一章 概 述 机系 统( 目 前支持基于a r m 7 t d m i 的a t 4 1 开 发板) 。 目 前可以 在s k y e y e 上运行u c l i n u x 以 及u c / o s - i i 等多种嵌入式操作系统， 并且对他们进行源代码的分析和测试。 2 ) a r m u l a t o r : a r m 公司的的指令仿真器，其能够在 wi