嵌入式系統仿真環(huán)境—SkyEye

摘    要： 本文全面分析了開(kāi)放源碼的嵌入式系統仿真集成開(kāi)發(fā)環(huán)境SkyEye，并對SkyEye上已經(jīng)移植成功的操作系統、典型應用進(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；仿真環(huán)境；SkyEye；Linux；mClinux；mC/OS-II

SkyEye
SkyEye是一個(gè)在Linux和 Windows平臺上實(shí)現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上運行Linux、mClinux以及mC/OS-II 等多種嵌入式操作系統和各種系統軟件(如TCP/IP、圖形子系統、文件子系統等)，并可對它們進(jìn)行源碼級的分析和測試。
SkyEye作為指令級仿真器，可以仿真多種嵌入式開(kāi)發(fā)板，支持多種CPU指令集，在SkyEye上運行的操作系統意識不到它是在一個(gè)虛擬環(huán)境中運行，而且開(kāi)發(fā)人員可以通過(guò)SkyEye調試操作系統和系統軟件。由于SkyEye的目標不是驗證硬件邏輯，而是協(xié)助開(kāi)發(fā)、調試和學(xué)習系統軟件，所以在實(shí)現上SkyEye與真實(shí)的硬件環(huán)境相比有一定差別。在時(shí)鐘節拍的時(shí)序上，SkyEye不保證與硬件完全相同，并簡(jiǎn)化了對軟件透明的一些硬件仿真，這樣可以提高SkyEye的執行效率。
在32位嵌入式CPU領(lǐng)域中，ARM系列CPU所占比重相當大，因此SkyEye首先選擇了ARM CPU核作為仿真目標CPU核。SkyEye可用于學(xué)習、分析、開(kāi)發(fā)Linux、mClinux、mC/OS-II操作系統內核和TCP/IP實(shí)現，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)縫結合，開(kāi)發(fā)者可以方便地使用GDB提供的各種調試手段對SkyEye仿真系統上的軟件進(jìn)行源碼級調試，還可以進(jìn)行各種分析，如執行熱點(diǎn)分析、程序執行覆蓋度分析等。

SkyEye技術(shù)分析
SkyEye實(shí)現的硬件仿真
* CPU和開(kāi)發(fā)板系列
目前SkyEye可以仿真的CPU主要是基于A(yíng)RM內核的CPU，包括ARM7TDMI、StrongARM、ARM720T、ARM9TDMI、ARM9xx、ARM10xx、Xscale、Ateml91x40、EP7312等。
各硬件開(kāi)發(fā)公司可以根據它們的需求在上述CPU核上加上特定的擴展，形成基于各種ARM基本核心的特定CPU，如Atmel91X40和 EP7312，則分別擴展了ARM7TDMI和ARM720T的內存控制和各種I/O控制器，簡(jiǎn)化了開(kāi)發(fā)板的邏輯設計，增強了開(kāi)發(fā)板的功能。
目前SkyEye仿真的開(kāi)發(fā)板包括基于A(yíng)tmel91x40、EP7312和StrongARM的adsbitsy開(kāi)發(fā)板，以及基于XScale PXA250的lubbock開(kāi)發(fā)板。主要仿真了對應各個(gè)開(kāi)發(fā)板的串口、時(shí)鐘、RAM、ROM等硬件外設。
* 存儲器管理單元和緩存單元
MMU即存儲器管理單元，是用來(lái)管理虛擬內存系統的硬件。MMU的兩個(gè)主要功能是：將虛擬地址轉換成物理地址；控制存儲器的存取權限。MMU關(guān)掉時(shí)，虛擬地址直接輸出到物理地址總線(xiàn)。MMU本身有少量存儲空間存放從虛擬地址到物理地址的匹配表，此表稱(chēng)作TLB。為了支持仿真多種類(lèi)型CPU的MMU/Cache，SkyEye包含了一個(gè)通用的MMU/Cache仿真實(shí)現。通過(guò)對一些參數的調整可以支持仿真多種類(lèi)型的MMU/cache物理結構和邏輯行為。
* 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，內建 16K RAM緩沖區，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上的8019as驅動(dòng)程序，可以完成各種網(wǎng)絡(luò )應用設計開(kāi)發(fā)。目前已經(jīng)在在基于A(yíng)tmel91x40的開(kāi)發(fā)板上實(shí)現了網(wǎng)絡(luò )芯片8019as擴展，并增加了mC/OS-II和mClinux的網(wǎng)絡(luò )驅動(dòng)程序，支持大量的網(wǎng)絡(luò )應用程序，如lwip、nfs server/clinet、http server/client、telnet server/client、ftp server/client等。
SkyEye總體結構
SkyEye基于GDB /armulator，可以仿真完整的嵌入式計算機系統，目前包括CPU、內存、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(hù)接口模塊：處理用戶(hù)的輸入命令，并把相關(guān)調試數據輸出給用戶(hù)。
符號處理模塊：主要處理執行文件的頭信息，解釋執行文件中內嵌的debuger調試信息，以及對符號表的管理和對源代碼表達式的解析，并定位源代碼中的語(yǔ)句位置和機器碼的位置關(guān)系等。
目標控制模塊：主要完成執行控制(如中斷執行，中斷條件的設置等)、程序棧結構分析，以及對具體目標硬件的控制(如本地調試、遠程調試和仿真調試的控制)。
目標仿真模塊：仿真主要硬件的執行，對執行文件的機器指令進(jìn)行解釋?zhuān)⒎抡鎴绦忻恳粭l機器指令，產(chǎn)生相應的硬件響應。

SkyEye上運行的應用
由于已經(jīng)實(shí)現多種軟件的移植，目前在SkyEye的仿真硬件上可以運行多種操作系統、驅動(dòng)程序、網(wǎng)絡(luò )協(xié)議棧和各種應用軟件。
ARM Linux
Linux原本被設計為桌面系統，現在廣泛應用于服務(wù)器領(lǐng)域，而更大的影響在于它正逐漸應用于嵌入式設備。由于SkyEye仿真的CPU基本上基于A(yíng)RM核，所以目前可以支持面向ARM核的Linux操作系統－ARM Linux。
mClinux
mClinux主要針對沒(méi)有MMU的處理器，而標準的Linux只支持帶MMU的CPU。為了減少OS的尺寸，mClinux采用了如下做法：刪除不需要的內核功能，重新配置內核；mClinux的根(root)文件系統采用romfs文件系統；mClinux的應用程序庫為精簡(jiǎn)的uClibc，而不是龐大的glibc。
mC/OS-II
無(wú)論是通過(guò)學(xué)習 mC/OS-II 來(lái)了解實(shí)時(shí)操作系統的構造，或者是直接使用它來(lái)針對具體應用進(jìn)行開(kāi)發(fā)，都是非常方便和可行的。目前在SkyEye上可以運行mC/OS-II 2.51版。
更多的 OS 移植
基于 SkyEye，開(kāi)發(fā)者可以驗證自行開(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SkyEye網(wǎng)絡(luò )仿真芯片的驅動(dòng)程序。SkyEye實(shí)現了簡(jiǎn)化的8019as驅動(dòng)程序，它主要包括了初始化、中斷處理、接收數據包和發(fā)送數據包的處理等工作。
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)，可獲得了一套免費的嵌入式網(wǎng)絡(luò )軟件平臺。系統示意圖如圖1所示。
LwIP是瑞士計算機科學(xué)院Adam Dunkels等開(kāi)發(fā)的一套用于嵌入式系統的開(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上，也可以在無(wú)操作系統的情況下獨立運行，目前使用的是LwIP最新穩定版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)現了一個(gè)TCP echo服務(wù)器，監聽(tīng)7號端口，實(shí)現了RFC中最簡(jiǎn)單的echo協(xié)議：收到什么，就往回發(fā)同樣的內容。編譯運行后，用ping ip地址 命令可以得到ICMP reply響應。用telnet ip地址 7(登錄7號端口) 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)議都已正確運行。
mC/OS-II下的人機界面
實(shí)現人機界面(shell)的本質(zhì)思想是：Shell作為一個(gè)mC/OS-II下的任務(wù)，工作于內核之外，占用一個(gè)任務(wù)號。它接收用戶(hù)輸入的字符，存儲到緩沖區，并回顯在屏幕上，以回車(chē)鍵為用戶(hù)輸入的結束信號，隨后解析用戶(hù)輸入的命令名稱(chēng)、參數，調用相應的命令函數。一直到這個(gè)命令函數運行返回，才繼續Shell的人機交互界面，本文稱(chēng)之為Genie Shell。其流程圖如圖2所示。
Genie Shell實(shí)現了最基本的命令輸入、解析參數、調用命令函數功能，以及兩條示例性的命令，其特色是采用了面向對象的思路來(lái)實(shí)現Shell的各種命令。
mClinux和ARM Linux上的應用
目前已經(jīng)在mClinux上成功地執行了shell、ping、ifconfig、telnet server/client、ftp client/server、nfs server等大量應用程序。絕大多數mClinux或ARM Linux應用級程序完全不用修改源碼就可以在SkyEye上運行。

SkyEye發(fā)展
在大學(xué)的嵌入式課程試驗和嵌入式項目研究中，已把SkyEye作為一個(gè)重要的嵌入式系統開(kāi)發(fā)的實(shí)踐工具，在清華大學(xué)、國防科技大學(xué)等院校得到了應用。今后，skyEye將支持仿真更多的CPU、開(kāi)發(fā)板和各種外設，并提供詳細的設計文檔。除了對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
作為單片機系統重要的輸出設備，LCD應用非常廣泛。Skyeye中將加入LCD控制器設備仿真，并使用GTK+圖形函數庫在Xwindow中仿真出一個(gè)LCD屏幕。Skyeye的LCD仿真實(shí)現的示意圖如圖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 )采用功能強大、可擴展性強的Eclipse集成開(kāi)發(fā)環(huán)境作為SkyEye的IDE集成開(kāi)發(fā)環(huán)境?！?/p>

參考文獻
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