Powerpc处理器开发出稳定和易用可靠的仿真调试平台
PowerPC( MPC8270) 处理器是一款易用、稳定、可靠的仿真调试平台。针对PowerPC体系结构，构建出一套完整的全系统模拟仿真平台，并重点阐述了ELF解析、指令集解析、虚拟 MMU 和 时钟中断模块的实现方法。
嵌入式领域不断增大的应用需求，而传统的嵌入式App往往需要等待硬件平台制作完成后才可以进行调试、开发，这极大的延迟了产品的研发周期，并且在实际硬件平台上调试App也具有一定难度。所以，基于App环境开发一套可以仿真硬件平台的系统( 即虚拟机)是十分必要的。虚拟机( Virtual Machine) 系统实际上是真实硬件平台的一个App抽象。通过这里大家就可以看出BGA芯片返修行业又将迎来一次新的洗礼，对于88必发网页登入的制造要求更高了。
它以一个普通的应用程 序运行在宿主机的操作系统之上，它将目标平台的 硬件行为抽象为宿主机的App行为，从而达到模拟的效果，App架构。PowerPC体系结构在嵌入式领域有着广泛的应用和卓越的表现，构建一个针对它的仿真调试系统是十分必要的。
所以本文以PowerPC体系结构为仿真目标，在X86体系结构的PC机上构建一个全系统虚拟化调试平台。 1、虚拟平台总体设计 1. 1 平台整体设计本仿真平台主要是针对MPC8270这一款高性能、低功耗32 位超标量RISC微处理器。其是Power-QUICC TM II族的一款CPU，使用了E603的核心工作频率最高可达450MHz，拥有独立的16k数据和程序 cache，以及独立的 DMMU 和 IMMU。
拥有多种可定制接口，广泛应用于网络交换机和工业控制模块中。 虚拟机系统框架图整个仿真平台核心功能就是在一台X86架构的机器上，仿真一个PowerPC平台，可以如真实的硬件平台一样加载运行相应的PowerPC的可实行文件，并提供更方便的调试接口。
MPC8270 App仿真平台主要分为三层，整体架 构如图 2 所示: 1) 目标层: 目标 PowerPC 平台上的运行环境; 区进行读写操作。已达到调试的目的。
PowerPC 体系结构映射单元: 此单元维护了 源体系结构寄存器映射表，主要用于说明实行和维 护 PowerPC 体系结构的各个寄存器在运行时状态。
虚拟化层: 整个系统的核心，即运行在主机 系统的虚拟机进程;平台工作流程 PowerPC 虚拟调试平台首先分析带有调试信息 主机层: 实际宿主机的运行环境。
分析出行号表( 即实行指令对应的程 序地址)，变量地址以及对应的可实行文件。而后 大家将分析好的可实行加载进虚拟机中。而后虚 拟机开始实行加载进来的可实行文件。其内部以 一种 busyloop 的方式实现，首先检查是否有外部的 回调函数，外部可以通过此接口完成与虚拟机的通 信。而后检查将要实行指令是否有断点，如果有断 点则暂停运行，控制权交由上层的图形界面操作。 最后实行 interpret 完成取址、译码与实行。
仿真平台总体结构各个模块主要功能如下:
1. 虚拟机总控模块: 负责整个系统的初始化， 虚拟机的空间申请以及释放，协调各个的消息传递。
2.ELF 文件分析与加载模块: 分析可实行文件 的 ELF 格式，分析出相应的行号，符号信息。识别 相应的数据段、代码段等信息。并加载可实行文件 到相应的内存区域。
3.MMU 仿真模块: 仿真实际硬件的 DMMU 和 IMMU，分别用于数据和指令的地址转换，由虚拟地 址翻译为物理地址。
4. 说明器模块: 即将相应指令 PPC 指令翻译 为 x86 指令实行的模块。这里为了达到与真实系统 实行完全一致，选取了经典的处理器的取址-译码- 实行循环。这样可以保证在任何指令处下断点都 可以与真实系统的实行结果一致。
5.调试接口模块: 主要负责外部与虚拟机的通 信，可以向虚拟系统下断点、设置监视点。可以在 暂停虚拟机实行的状态下，对虚拟机的数据或程序 图 3 平台工作流程 ， 7692 科学技术与工程11卷作数，以及一个目的操作数。
这一指令格式的一些 变种使用部分目标和源寄存器操作数说明符作为 马上字段或作为扩展的操作码。Rc 标记是否记录 状态寄存器。
仿真平台模块实现
1.指令说明 PowerPC 做为一款 RISC 处理器，所有指令的编 码长度都是 32 位。PowerPC 的位编号方式比较特 别: 第 0 位是最重要的位，第 31 位是最不重要的 位。指令首先由一个字段中较高的 6 位进行解码， 这 6 位被称为主要操作码( primary opcode) 。其余 26 位包含的字段分别是操作数说明、马上( immedi- ate) 操作数以及扩展的操作码( opcode) ，而且这些 还可能是保留的位或字段。
PowerPC 定义的基本指 令格式有如下几种:
1. D-form 指令格式 条件转移指令使用的是这一指令格式。BO 指 令字段指定了条件的类型; BI 指令字段指定了以哪 个 CR 位作为条件; BD 字段用作转移位置。AA 位 指定了转移是绝对转移还是相对转移。LK 位指定 了下一个顺序指令的地址是否作为子例程调用的 返回地址保存在链接寄存器中。
2. D-form 指令格式 这一指令格式提供至多两个寄存器作为源操作数 一个马上源，至多两个寄存器作为目的操作数。这一指 令格式的一些变种使用部分目标和源寄存器操作数说 明符作为马上字段或作为扩展的操作码。
3.无条件转移指令使用这一指令格式。由于是 无条件的，BD 格式中的 BO 和 BI 字段改变为另外 的转移位置，以构成 LI 指令字段。 同 BD 格式一 样，这一指令格式也支撑 AA 和 LK 位。
对于一个真实的嵌入式系统，大家只需把可执 行的二进制文件烧录进相应的存储单元即可。大家的虚拟调试系统为了做到对真实硬件平台的完 全仿真，大家的实行步骤也是遵循硬件实行指令的经典步骤 : 取址、译码、实行。
D-form 指令格式 这一指令格式提供至多两个寄存器作为源操 作数，至多两个目的操作数。这一指令格式的一些 变种使用部分目标和源寄存器操作数说明符作为 马上字段或作为扩展的操作码。
取址: 通过访问内存得到 32 位的指令码。 译码: 译码的过程实际上就是找到相应指令
A-form 对应的处理函数。大家按照每条指令的 0 至 5 位进 行一次 hash 操作，得到一个处理函数的入口。如果 此指令还有扩展操作码或者其他标志位，大家在处 理函数中通过第二次 hash 找 到最终的函数入口。 实践表明，这种译码方式比树形的查找更加迅速。
这一指令格式提供至多三个寄存器作为源操
实行: 调用译码过程查找到的处理函数。
debug_macinfo&. debug _pubtypes: 包含全局 对象和函数的查找表
debug_ranges: DIE 的引用地址区间 7) . debug _ str: 包含. debug _ info 段中使用的符 号表。
里通过指向函数的指针以实现对上一层程序的接 口一致。
2. 2 ELF 文件解析 最为一个调试系统，最基本的功能就是在函数 中设置断点，让虚拟机在实行到有断点的语句时暂 停，为了实现这个功能，调试系统必须知道高级语 言中的语句与机器代码地址的映射关系，即行号表 ( line number) ; 并且需要知道各个变量被存储的地 址，以达到分析实行状态的目的，这便需要符号信 息。
这些信息被封装在 ELF ( Executable and Link- 2. 3 时钟中断的实现 时钟中断是十分重要的中断，操作系统的运行 是依赖时钟中断，例如任务调度，以及众多有超时 的函数调用。其相关寄存器是有: DEC 和 TB ( Time Base) 寄存器。
其中 TB 是一个 64 位寄存器，由 TBL 和 TBU 构成，其中 TBL 表示低 32 位，TBU 表示高 32 位。他在每个时钟周期后自增 1。而 DEC 寄存器已 TB 寄存器自增的频率自减。可以通过指令 mfspr 和 able Format ) 格 式 文 件 中。 ELF 文 件 格 式 最 初 由 UNIX 系统实验室开发，目前已成为 32 位操作系统 环境下较为通用的可实行文件格式。ELF 文件作用 有 2 个:
其一为构建程序，主要体现在连接过程中， 这与大家的调试系统无关。这里主要分析的是用 于运行程序的 ELF 文件，其大体结构如图 9 所示。 mtspr 进行读写，当向 DEC 中写入一个大于 0 的值时， 它将在下一个时钟周期后自减 1。当 DEC 自减至 0 时，便会触发时钟中断( 除非 MSR〔EE〕将其屏蔽) 。
由于 MPC8270 拥有乱序实行的能力，并且拥有 多条并行的流水线和实行单元，由于仿真这些操作 对虚拟机的性能影响极大，并且他对于调用没有很 大的好处，大家这里就简化了时钟的仿真，DEC 值 时随着指令的实行而减少。大家建立一个数组区 来存储每条指令实行的周期，然后在指令实行后 DEC 减少相应的值。这样导致仿真的时间并不十 分精确。但简单易行，可以满足实际应用需求。
MMU 仿真模块的实现 MMU 即 Memory Management Unit 它是 CPU 中用 来管理虚拟存储器、物理存储器的控制线路，同时也负 责虚拟地址映射为物理地址，以及提供硬件机制的内 存访问授权，是支撑众多操作系统运行所必须的模块。 PowerPC 处理器的 MMU 是完全支撑段页式管 理 的，整体结构如图 10 所示。
其中段寄存器负责将 有效地址翻译为内部虚拟地址，页表负责将虚拟地 址 翻译为物理地址。现代操作系统一般对分段支 持较弱，主要使用分页的功能。 MMU 有2 个重要的模块: 图 9 ELF 文件结构 段主要描述各个段的信 息，这里大家主要关注. text 段( 实行段) ，和一系列包含调试信息的. de- bug 段( 即 DWARF) 。 在 ELF 文件中所有的调试信息都以DWARF( De- bugging With Attributed Record Format ) 格式组织起来， DWARF 最基本的描述个体为 DIE( Debugging Information Entry) 。每个 DIE 都有自己的标签( 包含类型和一系列 属性) 。
DIE 以儿子兄弟树的结构存储，属性值可以指向 其他的DIE。其主要包括以下几项: 1) . debug_frame: 含有调用栈的信息
debug _ info: ( DIES) DWARF 包 含 的 核 心 数 据 1) TLB( Translation Lookaside Buffer) 页表旁路 缓冲，其保存了最近所使用的页表地址翻译，可以 加速页表的查询。
debug_line: 包含行号信息 4) . debug_loc: 包含宏的描述7694 科学技术与工程11卷图10MMU 整体结构大家在模拟MMU时也保持其与真实的硬件操 作一致。
其大体流程首先得到进程 ID，切换到目标上下文环境，检查是指令访存还是数据访存;
检查MSR寄存器，查看地址转换功能是否开启，如果没开启则有效地址就是物理地 址，可直接访问内存;
查看BAT是否命中，如果 命中则可以跳过地址翻译步骤，直接检查访问权限，未命中则继续;
实行段翻译，将有限地址翻译为内 部虚拟地址;
实行页翻译前首先查看 TLB，看相关 翻译是否已被缓存;
实行页翻译，将虚拟地址翻译 为物理地址，并更新相关 TLB 信息;
检查访问权 限，如果权限不够则会引发相关;
完成地址翻译。MMU 仿真流程 2 ) BAT ( Block Address Translation) ，他是由软 件控制的一个数组，用来缓存有效的块地址翻译。
通过上文崴泰小编详细的说明了Powerpc处理器开发出稳定和易用可靠的仿真调试平台。Powerpc处理器是一个代表着高水准的仿真调试平台。