嵌入式系統(tǒng)仿真環(huán)境—SkyEye

摘    要： 本文全面分析了開(kāi)放源碼的嵌入式系統(tǒng)仿真集成開(kāi)發(fā)環(huán)境SkyEye，并對(duì)SkyEye上已經(jīng)移植成功的操作系統(tǒng)、典型應(yīng)用進(jìn)行了介紹，最后講述了SkyEye正在開(kāi)展的工作和將來(lái)的發(fā)展方向。
關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；仿真環(huán)境；SkyEye；Linux；mClinux；mC/OS-II

SkyEye
SkyEye是一個(gè)在Linux和 Windows平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)純軟件仿真的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，它基于GPL協(xié)議，可在SkyEye上運(yùn)行Linux、mClinux以及mC/OS-II 等多種嵌入式操作系統(tǒng)和各種系統(tǒng)軟件(如TCP/IP、圖形子系統(tǒng)、文件子系統(tǒng)等)，并可對(duì)它們進(jìn)行源碼級(jí)的分析和測(cè)試。
SkyEye作為指令級(jí)仿真器，可以仿真多種嵌入式開(kāi)發(fā)板，支持多種CPU指令集，在SkyEye上運(yùn)行的操作系統(tǒng)意識(shí)不到它是在一個(gè)虛擬環(huán)境中運(yùn)行，而且開(kāi)發(fā)人員可以通過(guò)SkyEye調(diào)試操作系統(tǒng)和系統(tǒng)軟件。由于SkyEye的目標(biāo)不是驗(yàn)證硬件邏輯，而是協(xié)助開(kāi)發(fā)、調(diào)試和學(xué)習(xí)系統(tǒng)軟件，所以在實(shí)現(xiàn)上SkyEye與真實(shí)的硬件環(huán)境相比有一定差別。在時(shí)鐘節(jié)拍的時(shí)序上，SkyEye不保證與硬件完全相同，并簡(jiǎn)化了對(duì)軟件透明的一些硬件仿真，這樣可以提高SkyEye的執(zhí)行效率。
在32位嵌入式CPU領(lǐng)域中，ARM系列CPU所占比重相當(dāng)大，因此SkyEye首先選擇了ARM CPU核作為仿真目標(biāo)CPU核。SkyEye可用于學(xué)習(xí)、分析、開(kāi)發(fā)Linux、mClinux、mC/OS-II操作系統(tǒng)內(nèi)核和TCP/IP實(shí)現(xiàn)，了解ARM嵌入式CPU編程，而這一切都可在一個(gè)集成環(huán)境中完成。如果能夠改進(jìn)SkyEye本身，則大家對(duì)ARM、8019 ethernet網(wǎng)絡(luò)芯片等硬件的了解也會(huì)更深入。由于SkyEye與GDB可以無(wú)縫結(jié)合，開(kāi)發(fā)者可以方便地使用GDB提供的各種調(diào)試手段對(duì)SkyEye仿真系統(tǒng)上的軟件進(jìn)行源碼級(jí)調(diào)試，還可以進(jìn)行各種分析，如執(zhí)行熱點(diǎn)分析、程序執(zhí)行覆蓋度分析等。

SkyEye技術(shù)分析
SkyEye實(shí)現(xiàn)的硬件仿真
* CPU和開(kāi)發(fā)板系列
目前SkyEye可以仿真的CPU主要是基于ARM內(nèi)核的CPU，包括ARM7TDMI、StrongARM、ARM720T、ARM9TDMI、ARM9xx、ARM10xx、Xscale、Ateml91x40、EP7312等。
各硬件開(kāi)發(fā)公司可以根據(jù)它們的需求在上述CPU核上加上特定的擴(kuò)展，形成基于各種ARM基本核心的特定CPU，如Atmel91X40和 EP7312，則分別擴(kuò)展了ARM7TDMI和ARM720T的內(nèi)存控制和各種I/O控制器，簡(jiǎn)化了開(kāi)發(fā)板的邏輯設(shè)計(jì)，增強(qiáng)了開(kāi)發(fā)板的功能。
目前SkyEye仿真的開(kāi)發(fā)板包括基于Atmel91x40、EP7312和StrongARM的adsbitsy開(kāi)發(fā)板，以及基于XScale PXA250的lubbock開(kāi)發(fā)板。主要仿真了對(duì)應(yīng)各個(gè)開(kāi)發(fā)板的串口、時(shí)鐘、RAM、ROM等硬件外設(shè)。
* 存儲(chǔ)器管理單元和緩存單元
MMU即存儲(chǔ)器管理單元，是用來(lái)管理虛擬內(nèi)存系統(tǒng)的硬件。MMU的兩個(gè)主要功能是：將虛擬地址轉(zhuǎn)換成物理地址；控制存儲(chǔ)器的存取權(quán)限。MMU關(guān)掉時(shí)，虛擬地址直接輸出到物理地址總線。MMU本身有少量存儲(chǔ)空間存放從虛擬地址到物理地址的匹配表，此表稱作TLB。為了支持仿真多種類型CPU的MMU/Cache，SkyEye包含了一個(gè)通用的MMU/Cache仿真實(shí)現(xiàn)。通過(guò)對(duì)一些參數(shù)的調(diào)整可以支持仿真多種類型的MMU/cache物理結(jié)構(gòu)和邏輯行為。
* 網(wǎng)絡(luò)芯片
目前SkyEye仿真了8019as網(wǎng)絡(luò)芯片，其特點(diǎn)是：NE2000兼容，內(nèi)建 16K RAM緩沖區(qū)，10MB傳輸速率。開(kāi)發(fā)板上可以加入網(wǎng)絡(luò)芯片8019as，再加上不同操作系統(tǒng)上的8019as驅(qū)動(dòng)程序，可以完成各種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。目前已經(jīng)在在基于Atmel91x40的開(kāi)發(fā)板上實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)芯片8019as擴(kuò)展，并增加了mC/OS-II和mClinux的網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序，支持大量的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序，如lwip、nfs server/clinet、http server/client、telnet server/client、ftp server/client等。
SkyEye總體結(jié)構(gòu)
SkyEye基于GDB /armulator，可以仿真完整的嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，目前包括CPU、內(nèi)存、I/O寄存器、時(shí)鐘、UART、網(wǎng)絡(luò)芯片，將來(lái)還會(huì)有MMU、Cache、LCD、USB等各種硬件。
SkyEye從總體上分為以下四個(gè)層次。
用戶接口模塊：處理用戶的輸入命令，并把相關(guān)調(diào)試數(shù)據(jù)輸出給用戶。
符號(hào)處理模塊：主要處理執(zhí)行文件的頭信息，解釋執(zhí)行文件中內(nèi)嵌的debuger調(diào)試信息，以及對(duì)符號(hào)表的管理和對(duì)源代碼表達(dá)式的解析，并定位源代碼中的語(yǔ)句位置和機(jī)器碼的位置關(guān)系等。
目標(biāo)控制模塊：主要完成執(zhí)行控制(如中斷執(zhí)行，中斷條件的設(shè)置等)、程序棧結(jié)構(gòu)分析，以及對(duì)具體目標(biāo)硬件的控制(如本地調(diào)試、遠(yuǎn)程調(diào)試和仿真調(diào)試的控制)。
目標(biāo)仿真模塊：仿真主要硬件的執(zhí)行，對(duì)執(zhí)行文件的機(jī)器指令進(jìn)行解釋，并仿真執(zhí)行每一條機(jī)器指令，產(chǎn)生相應(yīng)的硬件響應(yīng)。

SkyEye上運(yùn)行的應(yīng)用
由于已經(jīng)實(shí)現(xiàn)多種軟件的移植，目前在SkyEye的仿真硬件上可以運(yùn)行多種操作系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)程序、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧和各種應(yīng)用軟件。
ARM Linux
Linux原本被設(shè)計(jì)為桌面系統(tǒng)，現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于服務(wù)器領(lǐng)域，而更大的影響在于它正逐漸應(yīng)用于嵌入式設(shè)備。由于SkyEye仿真的CPU基本上基于ARM核，所以目前可以支持面向ARM核的Linux操作系統(tǒng)－ARM Linux。
mClinux
mClinux主要針對(duì)沒(méi)有MMU的處理器，而標(biāo)準(zhǔn)的Linux只支持帶MMU的CPU。為了減少OS的尺寸，mClinux采用了如下做法：刪除不需要的內(nèi)核功能，重新配置內(nèi)核；mClinux的根(root)文件系統(tǒng)采用romfs文件系統(tǒng)；mClinux的應(yīng)用程序庫(kù)為精簡(jiǎn)的uClibc，而不是龐大的glibc。
mC/OS-II
無(wú)論是通過(guò)學(xué)習(xí) mC/OS-II 來(lái)了解實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的構(gòu)造，或者是直接使用它來(lái)針對(duì)具體應(yīng)用進(jìn)行開(kāi)發(fā)，都是非常方便和可行的。目前在SkyEye上可以運(yùn)行mC/OS-II 2.51版。
更多的 OS 移植
基于 SkyEye，開(kāi)發(fā)者可以驗(yàn)證自行開(kāi)發(fā)的OS，也可將更多的OS，如MINIX等，移植到SkyEye上。
mClinux上的TCP/IP
mClinux上面有完整的TCP/IP協(xié)議棧，但缺少對(duì)SkyEye網(wǎng)絡(luò)仿真芯片的驅(qū)動(dòng)程序。SkyEye實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)化的8019as驅(qū)動(dòng)程序，它主要包括了初始化、中斷處理、接收數(shù)據(jù)包和發(fā)送數(shù)據(jù)包的處理等工作。
基于mC/OS-II的LwIP
通過(guò)把開(kāi)放源代碼的LwIP移植到mC/OS-II上來(lái)，可獲得了一套免費(fèi)的嵌入式網(wǎng)絡(luò)軟件平臺(tái)。系統(tǒng)示意圖如圖1所示。
LwIP是瑞士計(jì)算機(jī)科學(xué)院Adam Dunkels等開(kāi)發(fā)的一套用于嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)放源代碼TCP/IP協(xié)議棧，其含義是Light Weight(輕型)IP協(xié)議。LwIP可以移植到操作系統(tǒng)上，也可以在無(wú)操作系統(tǒng)的情況下獨(dú)立運(yùn)行，目前使用的是LwIP最新穩(wěn)定版V0.5.3。除了LwIP之外，還有很多開(kāi)源的嵌入式TCP/IP協(xié)議棧，其中的代表有tinyTCP、mcIP、mIP等。
Lwip上的echo服務(wù)器
在Lwip上實(shí)現(xiàn)了一個(gè)TCP echo服務(wù)器，監(jiān)聽(tīng)7號(hào)端口，實(shí)現(xiàn)了RFC中最簡(jiǎn)單的echo協(xié)議：收到什么，就往回發(fā)同樣的內(nèi)容。編譯運(yùn)行后，用ping ip地址 命令可以得到ICMP reply響應(yīng)。用telnet ip地址 7(登錄7號(hào)端口) 命令可以看到echo服務(wù)器的回顯效果。說(shuō)明ARP、ICMP、IP、TCP協(xié)議都已正確運(yùn)行。
mC/OS-II下的人機(jī)界面
實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面(shell)的本質(zhì)思想是：Shell作為一個(gè)mC/OS-II下的任務(wù)，工作于內(nèi)核之外，占用一個(gè)任務(wù)號(hào)。它接收用戶輸入的字符，存儲(chǔ)到緩沖區(qū)，并回顯在屏幕上，以回車鍵為用戶輸入的結(jié)束信號(hào)，隨后解析用戶輸入的命令名稱、參數(shù)，調(diào)用相應(yīng)的命令函數(shù)。一直到這個(gè)命令函數(shù)運(yùn)行返回，才繼續(xù)Shell的人機(jī)交互界面，本文稱之為Genie Shell。其流程圖如圖2所示。
Genie Shell實(shí)現(xiàn)了最基本的命令輸入、解析參數(shù)、調(diào)用命令函數(shù)功能，以及兩條示例性的命令，其特色是采用了面向?qū)ο蟮乃悸穪?lái)實(shí)現(xiàn)Shell的各種命令。
mClinux和ARM Linux上的應(yīng)用
目前已經(jīng)在mClinux上成功地執(zhí)行了shell、ping、ifconfig、telnet server/client、ftp client/server、nfs server等大量應(yīng)用程序。絕大多數(shù)mClinux或ARM Linux應(yīng)用級(jí)程序完全不用修改源碼就可以在SkyEye上運(yùn)行。

SkyEye發(fā)展
在大學(xué)的嵌入式課程試驗(yàn)和嵌入式項(xiàng)目研究中，已把SkyEye作為一個(gè)重要的嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的實(shí)踐工具，在清華大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)等院校得到了應(yīng)用。今后，skyEye將支持仿真更多的CPU、開(kāi)發(fā)板和各種外設(shè)，并提供詳細(xì)的設(shè)計(jì)文檔。除了對(duì)SkyEye進(jìn)一步完善以外，本課題組正在進(jìn)行以下方面的工作。
LCD仿真
作為單片機(jī)系統(tǒng)重要的輸出設(shè)備，LCD應(yīng)用非常廣泛。Skyeye中將加入LCD控制器設(shè)備仿真，并使用GTK+圖形函數(shù)庫(kù)在Xwindow中仿真出一個(gè)LCD屏幕。Skyeye的LCD仿真實(shí)現(xiàn)的示意圖如圖3所示。
IDE 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境
IDE集成開(kāi)發(fā)環(huán)境是SkyEye的一個(gè)重要組成部分。所有支持GDB的IDE集成開(kāi)發(fā)環(huán)境都可以很容易地移植為SkyEye的IDE集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。將來(lái)可能會(huì)采用功能強(qiáng)大、可擴(kuò)展性強(qiáng)的Eclipse集成開(kāi)發(fā)環(huán)境作為SkyEye的IDE集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。■

參考文獻(xiàn)
1. SkyEye Web Site：http://hpclab.cs.tsinghua.edu.cn/~SkyEye/
2. ARM System-on-Chip Architecture,second edition，Steve Furber，Pearson Education Published
3. ARM Architecture Reference Manual，ARM Ltd