專利名稱：模擬器構(gòu)造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于計(jì)算機(jī)軟件模擬器領(lǐng)域，具體涉及一種用于模擬硬件的軟件模擬器。
背景技術(shù)：
模擬器技術(shù)是用于新的硬件平臺(tái)開(kāi)發(fā)和新型操作系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的一項(xiàng)重要技術(shù)。它是通過(guò)軟件來(lái)模擬實(shí)現(xiàn)目標(biāo)平臺(tái)的硬件功能。目前，公知的模擬器結(jié)構(gòu)是由取指令、譯碼和指令執(zhí)行三個(gè)部分組成。把目標(biāo)程序作為輸入提供給模擬器程序，模擬器程序模擬真實(shí)硬件的行為執(zhí)行目標(biāo)程序，使執(zhí)行結(jié)果與在真實(shí)硬件上一樣。但是，目前的模擬器往往只能針對(duì)一種體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，也就是說(shuō)，如果要更改模擬的目標(biāo)硬件平臺(tái)，就需要對(duì)模擬器源程序針對(duì)這種新的目標(biāo)平臺(tái)進(jìn)行大幅度的修改，然后重新生成新的模擬器，可擴(kuò)展性非常差。雖然有少數(shù)的模擬器能夠提供目標(biāo)平臺(tái)可配置性，但是需要根據(jù)目標(biāo)配置文件重新編譯模擬器代碼，靈活性差，不利于用戶的開(kāi)發(fā)工作。
發(fā)明/實(shí)用新型內(nèi)容本發(fā)明克服現(xiàn)有的模擬器可擴(kuò)展性差，靈活性不足等缺點(diǎn)，提供了一種模擬器構(gòu)造方法，用戶只需向本模擬器提供目標(biāo)硬件平臺(tái)描述文件，不需更改模擬器本身的代碼，就可以執(zhí)行針對(duì)真實(shí)硬件開(kāi)發(fā)的各種目標(biāo)程序，并能夠在模擬器上運(yùn)行完整的操作系統(tǒng)。
本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容一種模擬器構(gòu)造方法，用戶根據(jù)模擬的硬件編寫(xiě)目標(biāo)硬件平臺(tái)描述文件，該描述文件包括目標(biāo)硬件平臺(tái)屬性樹(shù)和該屬性樹(shù)的節(jié)點(diǎn)屬性的描述，模擬器框架根據(jù)描述文件自動(dòng)對(duì)目標(biāo)硬件平臺(tái)進(jìn)行模擬，其步驟包括(1)模擬器框架生成模塊調(diào)用屬性樹(shù)分析模塊，對(duì)目標(biāo)硬件平臺(tái)描述文件中的目標(biāo)硬件平臺(tái)屬性樹(shù)的描述進(jìn)行分析，得到目標(biāo)硬件平臺(tái)屬性樹(shù)，根據(jù)該屬性樹(shù)生成模擬器的譯碼框架和執(zhí)行框架；(2)模擬器動(dòng)作生成模塊調(diào)用屬性計(jì)算模塊對(duì)目標(biāo)硬件平臺(tái)描述文件中的屬性樹(shù)節(jié)點(diǎn)屬性的描述進(jìn)行屬性計(jì)算，根據(jù)屬性計(jì)算的結(jié)果生成實(shí)際的譯碼動(dòng)作和執(zhí)行動(dòng)作；(3)將譯碼動(dòng)作和執(zhí)行動(dòng)作填充到模擬器的譯碼框架和執(zhí)行框架中。
目標(biāo)硬件平臺(tái)信息的指令系統(tǒng)部分，用目標(biāo)硬件平臺(tái)的屬性樹(shù)來(lái)描述，而目標(biāo)硬件平臺(tái)信息的特征部分作為屬性定義在屬性樹(shù)的節(jié)點(diǎn)上，在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上預(yù)定義三種基本屬性操作的運(yùn)行時(shí)刻語(yǔ)義、匯編語(yǔ)言的語(yǔ)法以及設(shè)置指令字各個(gè)域的值。
目標(biāo)硬件平臺(tái)描述文件對(duì)目標(biāo)硬件平臺(tái)進(jìn)行以下描述，包括(1)全部的存儲(chǔ)系統(tǒng)類別，包括內(nèi)存、寄存器堆等；(2)機(jī)器可以直接支持的數(shù)據(jù)類型；(3)對(duì)齊約束的各種狀況；(4)所有指令的格式以及效應(yīng)；(5)所有的尋址模式；(6)機(jī)器條件碼的使用；(7)程序控制流的各種可能情況；(8)內(nèi)部處理的結(jié)構(gòu)單元。
目標(biāo)硬件平臺(tái)描述文件采用的描述語(yǔ)言分為兩層，上層描述語(yǔ)言對(duì)目標(biāo)硬件平臺(tái)的屬性樹(shù)進(jìn)行描述；下層描述語(yǔ)言對(duì)屬性樹(shù)上的各個(gè)節(jié)點(diǎn)的屬性進(jìn)行描述。
描述語(yǔ)言采用OR規(guī)則和AND規(guī)則，從根定義開(kāi)始，依據(jù)OR規(guī)則建立子樹(shù)，依據(jù)AND規(guī)則建立節(jié)點(diǎn)內(nèi)的有序元組。
譯碼框架中設(shè)有譯碼緩沖區(qū)，將譯碼后的指令以某種表示形式存放在該緩沖區(qū)內(nèi)，當(dāng)再次執(zhí)行該指令時(shí)，只需直接使用，達(dá)到一次譯碼，多次使用的功能。
執(zhí)行框架中的模擬執(zhí)行部分采用代碼鏈接技術(shù)，指令模擬執(zhí)行過(guò)程中，一條指令執(zhí)行完畢，直接跳轉(zhuǎn)到下一條指令(繼續(xù)執(zhí)行)，實(shí)現(xiàn)指令的鏈接。
本發(fā)明的技術(shù)效果本發(fā)明采用了一個(gè)不依賴于目標(biāo)硬件平臺(tái)的通用模擬器框架，模擬器框架通過(guò)分析描述文件中的屬性樹(shù)定義生成模擬器譯碼框架和執(zhí)行框架，而該模擬器譯碼框架和執(zhí)行框架中的動(dòng)作，則根據(jù)描述文件中屬性樹(shù)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)的屬性定義，利用屬性計(jì)算動(dòng)態(tài)生成，將譯碼動(dòng)作和執(zhí)行動(dòng)作填充到模擬器的譯碼框架和執(zhí)行框架中，便可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)系統(tǒng)硬件的全部模擬。由于該模擬器框架會(huì)根據(jù)用戶所提供的目標(biāo)硬件平臺(tái)描述文件，自動(dòng)對(duì)目標(biāo)硬件平臺(tái)進(jìn)行模擬，模擬目標(biāo)硬件的所有動(dòng)作，與硬件平臺(tái)無(wú)關(guān)聯(lián)。對(duì)于任何需要模擬的目標(biāo)硬件，都不需要對(duì)模擬框架部分進(jìn)行做任何更改，只需要提供目標(biāo)平臺(tái)相對(duì)應(yīng)的目標(biāo)硬件平臺(tái)描述文件即可。也就是說(shuō)，所有目標(biāo)平臺(tái)都只需要這一個(gè)相同的模擬器框架，它會(huì)根據(jù)用戶提供的目標(biāo)硬件平臺(tái)描述文件自動(dòng)進(jìn)行目標(biāo)平臺(tái)的模擬。無(wú)需任何重新編譯和代碼生成的工作。同時(shí)，目標(biāo)硬件平臺(tái)描述文件采用基于屬性計(jì)算的描述語(yǔ)言進(jìn)行編寫(xiě)，該描述語(yǔ)言分為兩層，分別用于對(duì)目標(biāo)硬件平臺(tái)屬性樹(shù)和該屬性樹(shù)上的各個(gè)節(jié)點(diǎn)屬性的描述，用戶可以自由更改和擴(kuò)展屬性樹(shù)和屬性樹(shù)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)的屬性，從而大大提高了模擬器的可擴(kuò)展性和靈活性。


下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明做出詳細(xì)描述。
圖1為模擬器屬性樹(shù)示意圖；圖2為模擬器自動(dòng)生成部分流程圖；圖3為模擬器應(yīng)用實(shí)例示意圖。
具體實(shí)施例方式
采用本發(fā)明，用戶可以自主選擇被模擬的硬件，只需要對(duì)目標(biāo)平臺(tái)撰寫(xiě)一個(gè)目標(biāo)硬件平臺(tái)描述文件，作為模擬器的輸入，既可以執(zhí)行對(duì)目標(biāo)平臺(tái)的模擬。本發(fā)明需要得到目標(biāo)平臺(tái)的以下信息內(nèi)容全部的存儲(chǔ)系統(tǒng)類別，包括內(nèi)存、寄存器堆等；機(jī)器可以直接支持的數(shù)據(jù)類型；對(duì)齊約束的各種狀況；所有指令的格式以及效應(yīng)；所有的尋址模式；機(jī)器條件碼的使用；程序控制流的各種可能情況；內(nèi)部處理的結(jié)構(gòu)單元，例如流水線。根據(jù)這些目標(biāo)平臺(tái)的硬件說(shuō)明，取得指令系統(tǒng)特征、指令分類、和每條指令特征的描述。其中，目標(biāo)硬件平臺(tái)信息的指令相關(guān)部分，可以用目標(biāo)硬件平臺(tái)的屬性樹(shù)來(lái)描述，而目標(biāo)硬件平臺(tái)的其它特性可以作為屬性定義在該屬性樹(shù)的節(jié)點(diǎn)上。本發(fā)明目標(biāo)硬件平臺(tái)描述文件采用了一種基于屬性計(jì)算的模擬器描述語(yǔ)言，該語(yǔ)言提供了兩個(gè)主要規(guī)則OR規(guī)則與AND規(guī)則，它們給描述提供了正交化的刻畫(huà)能力。AND規(guī)則定義了各個(gè)特性的組合效應(yīng)，而OR規(guī)則定義了單個(gè)特性的多樣性表現(xiàn)，反映在對(duì)指令系統(tǒng)的描述上前者即指令字的多個(gè)屬性域，而OR規(guī)則則表現(xiàn)為單個(gè)域的不同取值，例如操作碼是add還是sub等。該語(yǔ)言的語(yǔ)法是不允許有遞歸定義的，這樣，從語(yǔ)法的角度講，該語(yǔ)言關(guān)于一個(gè)非終結(jié)符的任何推導(dǎo)必有終點(diǎn)。終結(jié)符在該語(yǔ)言中表示了四類事物數(shù)據(jù)表述形式、存儲(chǔ)類、操作類以及尋址方式。這相當(dāng)具有代表性，因?yàn)檫@四類特征對(duì)于描述指令系統(tǒng)的語(yǔ)義已經(jīng)相當(dāng)充分了，因而該語(yǔ)言導(dǎo)出的所有串就是被描述系統(tǒng)的指令系統(tǒng)定義。語(yǔ)言描述了一系列屬性值，它們被賦予語(yǔ)言的非終結(jié)符，反映了指令語(yǔ)義的不同方面。這些屬性值通過(guò)類似C語(yǔ)言表達(dá)式或者一些語(yǔ)句序列來(lái)表達(dá)，稱為屬性表達(dá)式。其中可以引用由AND規(guī)則的參數(shù)定義的屬性值。
本發(fā)明描述語(yǔ)言從根op定義開(kāi)始，依據(jù)OR規(guī)則建立子樹(shù)，依據(jù)AND規(guī)則建立結(jié)點(diǎn)內(nèi)的有序元組，每個(gè)葉結(jié)點(diǎn)就是一條實(shí)際的指令，從一個(gè)葉結(jié)點(diǎn)出發(fā)到根的路徑上，每個(gè)結(jié)點(diǎn)都包含若干相互關(guān)聯(lián)的屬性，把某個(gè)屬性依據(jù)描述從根逐層展開(kāi)到葉結(jié)點(diǎn)就能得到相應(yīng)指令的該屬性描述。描述語(yǔ)言分為兩層，上層描述語(yǔ)言對(duì)目標(biāo)硬件平臺(tái)的屬性樹(shù)進(jìn)行描述；下層描述語(yǔ)言對(duì)屬性樹(shù)上的各個(gè)節(jié)點(diǎn)的屬性進(jìn)行描述。
通過(guò)對(duì)目標(biāo)硬件平臺(tái)描述文件中的目標(biāo)硬件平臺(tái)屬性樹(shù)的描述進(jìn)行分析，可得到目標(biāo)硬件平臺(tái)屬性樹(shù)，參考圖1，該屬性樹(shù)主要用于描述目標(biāo)平臺(tái)指令系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。它的表示形式可采用如下方法定義，Tree表示屬性樹(shù)定義的開(kāi)始，后面跟隨該屬性樹(shù)根節(jié)點(diǎn)的名稱，名稱后面是[]或者()，括號(hào)內(nèi)的內(nèi)容表示該節(jié)點(diǎn)的定義。對(duì)于屬性樹(shù)上的每個(gè)節(jié)點(diǎn)(包括根節(jié)點(diǎn))，要么是一個(gè)葉子節(jié)點(diǎn)，用節(jié)點(diǎn)名表示，要么是一個(gè)子樹(shù)，用節(jié)點(diǎn)名加()或者[]表示。如果它是一個(gè)表示連接的節(jié)點(diǎn)，用()表示，()里面的用“，”連接的各個(gè)子節(jié)點(diǎn)是連接關(guān)系，就是說(shuō)該節(jié)點(diǎn)由括號(hào)內(nèi)的部分連接而成；如果它是一個(gè)表示選擇的節(jié)點(diǎn)，則用[]表示，[]里面的用“，”連接的內(nèi)容表示選擇關(guān)系，就是說(shuō)該節(jié)點(diǎn)是括號(hào)中的各部分的其中一個(gè)。對(duì)于葉節(jié)點(diǎn)，它的下層不再有節(jié)點(diǎn)。
每個(gè)模擬器屬性樹(shù)上的各個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以有自己的屬性，用戶可以根據(jù)目標(biāo)平臺(tái)的特性自主定義屬性樹(shù)的節(jié)點(diǎn)屬性。本發(fā)明描述語(yǔ)言預(yù)定義了三種基本屬性用action、syntax和image，分別表示操作的運(yùn)行時(shí)刻語(yǔ)義、匯編語(yǔ)言的語(yǔ)法以及設(shè)置指令字各個(gè)域的值。由于各個(gè)節(jié)點(diǎn)屬性是可擴(kuò)展的，用戶通過(guò)添加新的屬性用于表示自己的特定用途。由于描述語(yǔ)言采用兩層結(jié)構(gòu)，分別用于描述目標(biāo)硬件平臺(tái)屬性樹(shù)的結(jié)構(gòu)和該樹(shù)上的各個(gè)節(jié)點(diǎn)的屬性定義，在目標(biāo)硬件平臺(tái)描述文件中，屬性樹(shù)的定義和屬性的定義是分開(kāi)的，這樣兩者的更改和擴(kuò)展都互不影響，大大提高了模擬器的可擴(kuò)展性和靈活性。
根據(jù)上述目標(biāo)硬件平臺(tái)屬性樹(shù)，模擬器框架生成模塊可生成模擬器譯碼框架和模擬器執(zhí)行框架，但不對(duì)框架中的動(dòng)作進(jìn)行填充，而是調(diào)用屬性計(jì)算模塊對(duì)目標(biāo)硬件平臺(tái)描述文件中的屬性樹(shù)節(jié)點(diǎn)屬性的描述進(jìn)行屬性計(jì)算，再根據(jù)屬性計(jì)算的結(jié)果生成實(shí)際的譯碼動(dòng)作和執(zhí)行動(dòng)作則，將譯碼動(dòng)作和執(zhí)行動(dòng)作填充到模擬器的譯碼框架和執(zhí)行框架中，從而形成模擬器。譯碼框架中設(shè)有譯碼緩沖區(qū)，將譯碼后的指令以某種表示形式存放在該緩沖區(qū)內(nèi)，當(dāng)再次執(zhí)行該指令時(shí)，只需直接使用，達(dá)到一次譯碼，多次使用的功能。執(zhí)行框架中的模擬執(zhí)行部分采用代碼鏈接技術(shù)，指令模擬執(zhí)行過(guò)程中，一條指令執(zhí)行完畢，直接跳轉(zhuǎn)到下一條指令(繼續(xù)執(zhí)行)，實(shí)現(xiàn)指令的鏈接。
參考圖2，本發(fā)明的模擬器框架生成過(guò)程的基本流程如下1、模擬器生成主體框架模塊調(diào)用模擬器框架生成模塊；2、模擬器框架生成模塊調(diào)用屬性樹(shù)分析模塊，后者對(duì)目標(biāo)硬件平臺(tái)描述文件中的屬性樹(shù)的描述進(jìn)行分析；3、屬性樹(shù)分析模塊將由目標(biāo)硬件平臺(tái)描述文件得到的屬性樹(shù)作為返回提供給模擬器框架生成模塊；4、框架生成模塊根據(jù)屬性樹(shù)生成譯碼框架和執(zhí)行框架，但是不對(duì)其中的動(dòng)作進(jìn)行填充；
5、模擬器生成主體框架模塊調(diào)用模擬器動(dòng)作生成模塊；6、模擬器動(dòng)作生成模塊調(diào)用屬性計(jì)算模塊，屬性計(jì)算模塊會(huì)對(duì)目標(biāo)硬件平臺(tái)描述文件中的屬性部分進(jìn)行分析；7、屬性計(jì)算模塊將屬性計(jì)算的結(jié)果返回給模擬器動(dòng)作生成模塊；8、模擬器動(dòng)作生成模塊根據(jù)屬性計(jì)算的結(jié)果生成實(shí)際的譯碼動(dòng)作和執(zhí)行動(dòng)作，填充到模擬器框架生成模塊所產(chǎn)生的框架中。這樣，目標(biāo)平臺(tái)的模擬器就基本生成了。
參考圖3，用戶將編譯好的操作系統(tǒng)映象以elf格式文件1和用于描述目標(biāo)硬件平臺(tái)的目標(biāo)硬件平臺(tái)描述文件2提供給模擬器生成模塊4，并通過(guò)外部調(diào)試器3與模擬器生成模塊進(jìn)行交互。模擬器生成模塊得到目標(biāo)硬件平臺(tái)描述文件后，根據(jù)描述文件中對(duì)模擬器和屬性的描述生成對(duì)應(yīng)的目標(biāo)硬件平臺(tái)的模擬器5。生成的模擬器5以操作系統(tǒng)映象文件1為輸入，對(duì)目標(biāo)硬件平臺(tái)進(jìn)行模擬，執(zhí)行操作系統(tǒng)代碼。調(diào)試和性能分析模塊6通過(guò)模擬器生成主體框架4與生成的模擬器5進(jìn)行交互獲得需要的數(shù)據(jù)，并通過(guò)模擬器生成框架模塊4返回給用戶執(zhí)行結(jié)果和分析數(shù)據(jù)7。
權(quán)利要求
1.一種模擬器構(gòu)造方法，其特征在于用戶根據(jù)模擬的目標(biāo)硬件編寫(xiě)目標(biāo)硬件平臺(tái)描述文件，該描述文件包括目標(biāo)硬件平臺(tái)屬性樹(shù)的描述和該屬性樹(shù)的節(jié)點(diǎn)屬性的描述，模擬器框架根據(jù)描述文件自動(dòng)對(duì)目標(biāo)硬件平臺(tái)進(jìn)行模擬，其步驟包括(1)模擬器框架生成模塊調(diào)用屬性樹(shù)分析模塊，對(duì)目標(biāo)硬件平臺(tái)描述文件中的目標(biāo)硬件平臺(tái)屬性樹(shù)的描述進(jìn)行分析，得到目標(biāo)硬件平臺(tái)屬性樹(shù)，根據(jù)該屬性樹(shù)生成模擬器的譯碼框架和執(zhí)行框架；(2)模擬器動(dòng)作生成模塊調(diào)用屬性計(jì)算模塊對(duì)目標(biāo)硬件平臺(tái)描述文件中的屬性樹(shù)節(jié)點(diǎn)屬性的描述進(jìn)行屬性計(jì)算，根據(jù)屬性計(jì)算的結(jié)果生成實(shí)際的譯碼動(dòng)作和執(zhí)行動(dòng)作；(3)將譯碼動(dòng)作和執(zhí)行動(dòng)作填充到模擬器的譯碼框架和執(zhí)行框架中。
2.如權(quán)利要求1所述的模擬器構(gòu)造方法，其特征在于目標(biāo)硬件平臺(tái)描述文件采用的描述語(yǔ)言分為兩層，上層描述語(yǔ)言對(duì)目標(biāo)硬件平臺(tái)的屬性樹(shù)進(jìn)行描述；下層描述語(yǔ)言對(duì)屬性樹(shù)上的各個(gè)節(jié)點(diǎn)的屬性進(jìn)行描述。
3.如權(quán)利要求2所述的模擬器構(gòu)造方法，其特征在于描述語(yǔ)言采用OR規(guī)則和AND規(guī)則，從根定義開(kāi)始，依據(jù)OR規(guī)則建立子樹(shù)，依據(jù)AND規(guī)則建立節(jié)點(diǎn)內(nèi)的有序元組。
4.如權(quán)利要求1或2所述的模擬器構(gòu)造方法，其特征在于目標(biāo)硬件平臺(tái)信息的指令系統(tǒng)部分，用目標(biāo)硬件平臺(tái)的屬性樹(shù)來(lái)描述，而目標(biāo)硬件平臺(tái)信息的特征部分作為屬性定義在屬性樹(shù)的節(jié)點(diǎn)上，在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上預(yù)定義三種基本屬性操作的運(yùn)行時(shí)刻語(yǔ)義、匯編語(yǔ)言的語(yǔ)法以及設(shè)置指令字各個(gè)域的值。
5.如權(quán)利要求1所述的模擬器構(gòu)造方法，其特征在于模擬器描述文件對(duì)目標(biāo)硬件模擬器進(jìn)行以下描述，包括(1)全部的存儲(chǔ)系統(tǒng)類別，包括內(nèi)存、寄存器堆等；(2)機(jī)器可以直接支持的數(shù)據(jù)類型；(3)對(duì)齊約束的各種狀況；(4)所有指令的格式以及效應(yīng)；(5)所有的尋址模式；(6)機(jī)器條件碼的使用；(7)程序控制流的各種可能情況；(8)內(nèi)部處理的結(jié)構(gòu)單元。
6.如權(quán)利要求1所述的模擬器構(gòu)造方法，其特征在于譯碼框架中設(shè)有譯碼緩沖區(qū)，將譯碼后的指令存放在該緩沖區(qū)內(nèi)。
7.如權(quán)利要求1或6所述的模擬器構(gòu)造方法，其特征在于執(zhí)行框架中模擬指令的執(zhí)行采用代碼鏈接方式。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種模擬器構(gòu)造方法，屬于計(jì)算機(jī)軟件模擬器領(lǐng)域。該方法提供了一個(gè)不依賴于目標(biāo)硬件平臺(tái)的通用模擬器框架，該框架會(huì)根據(jù)用戶所提供的模擬器描述文件，自動(dòng)對(duì)模擬器所需要做的動(dòng)作進(jìn)行判斷執(zhí)行，使用戶只需將模擬器描述文件輸入給模擬器，模擬器就會(huì)完全模擬出在目標(biāo)硬件平臺(tái)上執(zhí)行的動(dòng)作。本發(fā)明模擬器描述文件采用基于屬性計(jì)算的描述語(yǔ)言進(jìn)行編寫(xiě)，該描述語(yǔ)言分為兩層，分別用于對(duì)目標(biāo)硬件平臺(tái)屬性樹(shù)和該屬性樹(shù)上的各個(gè)節(jié)點(diǎn)屬性的描述，用戶可以自由更改和擴(kuò)展屬性樹(shù)和屬性樹(shù)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)的屬性，從而大大提高了模擬器的可擴(kuò)展性和靈活性。
文檔編號(hào)G06F11/36GK1581098SQ20041000910
公開(kāi)日2005年2月16日 申請(qǐng)日期2004年5月20日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月20日
發(fā)明者陳向群, 朱偉, 王俊 申請(qǐng)人:北京大學(xué)