嵌入式跨平台虚拟软件技术的研究与应用

高杰

（南昌大学共青学院 信息工程系，九江 332020）

引 言

从RISC到CISC的目的就是使得在CISC上运行的程序（OS＋APP）能够运行在RISC的体系结构上，转化过程包括指令解码、为OS建立运行环境等。嵌入式跨平台体系结构如图1所示。RISC体系结构的CPU有ARM处理器、MIPS处理器、龙芯、Godson等，CISC的平台主要有X86系列。首先要完成的指令解码包括ARM到X86（简称A2X86）、MIPS到 X86（简称 M2X86）、龙芯到 X86（简称D2X86）、Godson到X86（简称G2X86）。其次要完成BIOS功能。众所周知，CISC上运行OS需要BIOS的支持，因此需要在指令解码上一层为OS建立BIOS，即需要一个Vbios来支撑OS的运行。

1 基本理论

1.1 嵌入式跨平台虚拟软件概述

图1 嵌入式跨平台体系结构

龙芯2E体系结构和X86（在本文中所指定的X86主要包括8086、80286、80386、80486）的体系结构有很大的差别，包括指令操作码不同、寻址方式不同、内存管理不同、中断处理机制不同等。从应用架构上看，其结构方式也不一样，X86CPU体系结构经过多年的发展已经形成了一套运行微软操作系统的标准。支持X86CPU的软件也有自己的规范和要求，X86下的软件非常丰富也很成熟，包括OS和应用软件在内的软件都是根据X86的架构设计的，所以这些软件很难移植到像龙芯这样的体系结构上。鉴于此，在龙芯2E硬件层上设计一个软件层虚拟机程序，让龙芯2ECPU上能够运行X86下的OS和应用程序。具体的运行过程是，让虚拟机程序能够在系统加电后开始运行，来解析X86下的程序，从而使X86下的程序能够运行在龙芯2E体系结构上。解释X86程序的软件叫Vx86虚拟机。简单地说，Vx86虚拟机要完成的功能就是在龙芯2E的体系结构上建立一个可以运行X86程序的X86虚拟硬件环境。跨平台虚拟机层次结构如图2所示。

龙芯2E没有像X86下BIOS那样一个标准的初始化程序，它是由一个bootloader来完成初始化的。龙芯虚拟X86CPU需要完成以下几个模块：bootloader初始化程序、VBIOS程序、Vx86虚拟机程序。Vx86虚拟机在龙芯2E上的启动过程如图3所示。首要的任务是完成语言的识别和CPU处理的模拟，X86实现了在RISC的处理器上虚拟一个软件X86处理器模型，包括其所有寄存器和运算、取指、加载、计算、保存结果的指令流水线，同时还翻译所有X86系列的语言——X86二进制机器码。

图2 跨平台虚拟机的层次结构

图3 Vx86虚拟机在龙芯2E上的启动过程

1.2 嵌入式跨平台虚拟机开发环境

虚拟机的开发使用开源的开发环境，虚拟机是和操作系统无关的，所以在选择开发环境时只需要选择和硬件相关的开发环境即可，在这里使用龙芯2E的开源的 MIPS GCC编译器，版本号3.4.6。编译器运行在Linux操作系统下。开发语言选用C语言和MIPS汇编语言。

1.3 VBIOS

VBIOS是为了运行X86OS来初始化Vx86的BIOS程序。VBIOS的功能和X86BIOS的功能相同，是在Vx86运行起来的，其功能就是测试和初始化基本的外围设备，初始化完成后就去引导操作系统。

2 嵌入式跨平台虚拟机CPU虚拟设计

2.1 虚拟机CPU虚拟设计概述

CPU的虚拟就是用软件仿真一个X86的CPU，主要的设计有CPU处理器虚拟设计、寄存器虚拟设计、中断虚拟设计、取指虚拟设计、解码虚拟设计5大模块。Vx86 2.0设计中，这些设计相互间联系紧密，没有进行绝对的划分，下面将其揉合到一起来说明。

CPU虚拟中的功能包括了中断检查、取指和指令执行等几大模块，CPU虚拟中断程序流程如图4所示。

图4 CPU虚拟中断程序流程

在虚拟CPU的无限循环中，每次在取指和指令执行前都要进行中断检查，如果有中断到达，就先进行中断处理，处理结束后再回到中断时的位置继续执行。在这些过程中要虚拟真实CPU的取指令、译码指令、中断管理、内存管理等过程。下面定义的数据结构是为了完成CPU虚拟的核心数据结构。

2.2 CPU模块虚拟

Vx86在设计时采用了动态翻译的设计方法。虚拟机每次取指后，将取回的指令翻译成指令虚拟函数，接着执行这些翻译后的虚拟函数，执行后将翻译后结果保存在全局结构中，以方便下次使用。下一次CPU遇到同样的地址时，先到保存的缓存区中查找，如果找到就直接从保存的全局缓冲区中使用，如果没有找到就去重新翻译。这样的设计方法可大大提高虚拟机执行速度。

2.3 虚拟机取指和翻译虚拟

CPU的取指主要靠CS和IP／EIP来实现，在完成虚拟机时需要用软件模拟CPU的取指过程。在保护模式下取指需要解决如下的问题：

①段式管理。

②页式管理。

③指令跨页问题。由于在80386模式下有页式管理，页式管理时把物理内存分成了大小相同的4KB块。线性地址会把不连续的4KB物理内存映射到连续的线性地址空间，所以在虚拟时就要解决指令跨页问题。

④指令指针移动问题。根据系统设计说明书可知，80386的指令最长可达16字节，指令不定长，所以每次在取指完要对eip进行修改。

⑤判断访问的物理内存是否越界。解码虚拟主要完成的工作是根据80386的指令结构特点，将指令中的各个字段解析出来，然后根据各个指令码的特点寻找指令虚拟函数。根据需求分析和系统设计可知，指令结构由指令码前缀、指令码、MOD－REG－R／M、SCALE－INDEX－BASE、偏移量、立即数几部分组成。

3 嵌入式平台虚拟机的bootloader设计

3.1 bootloader概述

在嵌入式系统中，bootloader是芯片复位后执行的一段代码，这段代码完成硬件的检测与初始化、设置系统运行环境、引导OS，作用与PC启动时的BIOS相当。bootloader的执行可以分成两个阶段，一是boot，二是loader。前一阶段与平台硬件紧密相关，用汇编语言来实现；后一阶段与平台无关，用C语言来实现，使代码具有更好的可读性和可移植性。与其他bootloader不同的是，本文的bootloader不是引导OS，而是引导Vx86虚拟机，并且与Vx86虚拟机一起编译到一个BIN文件中，再下载到开发板上的Flash上。因此，引导时把Vx86虚拟机拷贝到RAM中，再跳转执行就可以了。

设计bootloader首先要先了解目标平台的CPU特点、异常处理、存储映射关系、I／O设备操作方法。因此本文先介绍龙芯系统平台的特点，再说明从CPU启动开始，如何初始化系统平台，直到引导Vx86执行。

3.2 龙芯系统平台概述

龙芯开发板上的CPU是龙芯2E处理器。龙芯2E是实现了MIPS III指令集的通用RISC处理器，采用9级指令流水线，包括取指、预译码、译码、寄存器重命名、调度、发射、读寄存器、执行、提交。龙芯2E使用了3个独立的Cache：一级指令Cache，64KB的容量，采用4路组相联的结构；一级数据Cache，64KB的容量，采用4路组相联的结构；二级混合Cache，片上Cache，512KB的容量，采用4路组相联的结构，使用的是写回法。龙芯2E对程序地址空间的映射分为4部分，如图5所示。

图5 龙芯2E地址空间的映射关系

kuseg：0x000 0000～0x7FFF FFFF（低端2GB），这些是用户模式下可用的地址。在带有MMU的机器里，这些地址都将由MMU加以转换。

kseg0：0x8000 0000～0x9FFF FFFF（512MB），只需要把最高位清零，这些地址就被转换（translate）为物理地址，然后把它们连续地映射到物理内存中512MB大小的低字段 （0x0000 0000～0x1FFF FFFF）内。一般情况下，都是通过快速缓存对这段区域内的地址进行访问。因此在Cache被正确地初始化之前，不要使用这些地址。

kseg1：0xA000 0000～0xBFFF FFFF（512MB），通过将最高3位清零的方法，把这些地址映射为相应的物理地址，然后象kseg0一样，再映射到物理内存中512MB大小的低字段。但要注意，kseg1是不通过Cache存取的（uncached）。kseg1是唯一的在系统重启时能正常工作的地址空间，这也是为什么重新启动时的入口向量0xBFC0 0000会在这个区域内。

kseg2：0xC000 0000～0xFFFF FFFF（1GB），这段地址空间只能在核心态下使用并且要经过MMU的转换。在MMU设置好之前，不要对其进行访问。

3.3 系统初始化过程

对于本文来说，bootloader的工作主要在boot龙芯平台，即初始化能运行系统的最小硬件环境，如北桥和南桥、DDRAM控制器、龙芯2E的Cache；初始化调试环境，如串口；然后把整个系统搬移到RAM中运行，再执行Vx86虚拟机。下面介绍详细的过程。

当CPU启动时，从地址0xBFC0 0000处取代码执行，这个地址被映射到开发板上的Flash零地址偏移处，因此必须把bootloader烧录到Flash的零地址偏移处才能正确执行。在连接脚本中有ENTRY（＿start），程序的入口点是标号为start的代码，从start开始的代码被烧录到Flash的零地址处偏移处。

“mtc0zero，COP＿0＿STATUS＿REG”是CPU执行的第一条指令，把状态寄存器清零。然后把COP＿0＿CAUSE＿REG清零，接着是设置状态寄存器的BEV位，这样发生异常时，CPU从Flash上取异常处理的代码。在异常处理时可以打印出触发异常发生的原因、指令，便于调试。接着设置引导程序的堆栈空间，“la sp，stack”是把栈首地址给sp寄存器，“la gp，＿gp”是把编译器中的＿gp全局地址给gp寄存器，这样做是让全局变量可以进行相对寄存器寻址。最后，执行Vx86虚拟机，直接通过函数调用来实现：VX86＿Entry（）。

结 语

本文讨论的嵌入式跨平台虚拟软件技术应用，重点讲述嵌入式跨平台虚拟机CPU虚拟设计和bootloader设计。根据以上的分析可知龙芯2E虚拟80386、80486，甚至Pentium 4以下的机器都是可行的。龙芯2E已经提供了一个可行的硬件环境，实现X86平台的软件可以运行在MIPS平台上。

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