通用指令集描述語(yǔ)言的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn).pdf

1、隨著軟硬件技術(shù)的發(fā)展，用軟件虛擬硬件一構(gòu)造虛擬機(jī)來(lái)輔助硬件設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件已經(jīng)越來(lái)越普遍。通過(guò)虛擬機(jī)平臺(tái)，開(kāi)發(fā)者可以在一臺(tái)PC機(jī)上同時(shí)使用多個(gè)目標(biāo)機(jī)器。軟件開(kāi)發(fā)者可以在x86機(jī)器上使用虛擬機(jī)開(kāi)發(fā)、運(yùn)行和調(diào)試ARM、8051程序；硬件開(kāi)發(fā)者也可以在虛擬機(jī)上驗(yàn)證硬件設(shè)計(jì)的優(yōu)劣。虛擬機(jī)開(kāi)發(fā)是一個(gè)龐大的工程，開(kāi)發(fā)工作量主要集中在處理器的模擬，即指令集模擬部分，約占總工作量80％左右。如何快速建立高質(zhì)量虛擬仿真環(huán)境，特別是處理器模擬模

2、型是迫切需要解決的問(wèn)題。 論文在分析主流機(jī)器語(yǔ)言和指令集描述語(yǔ)言的基礎(chǔ)上，研究了處理器抽象模型方法，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種輕量級(jí)處理器指令集描述語(yǔ)言Smart-ISDL，其目的是為快速高效建立處理器模擬模型提供一種中間形式化語(yǔ)言。Smart-ISDL是一種通用的指令集描述語(yǔ)言，可用于描述各種體系結(jié)構(gòu)的處理器模型，如ARM、MIPS、8051等。通過(guò)對(duì)CPU模型的抽象，Smart-ISDL可以快速建立處理器模擬模型，將處理器取指、譯碼、執(zhí)

3、行等真實(shí)部件映射成Smart-ISDL描述模板文法的相應(yīng)描述模型，完成處理器部件快速模擬。Smart-ISDL模板文法可以直觀地表達(dá)指令集行為特點(diǎn)，它通過(guò)對(duì)體系存儲(chǔ)系統(tǒng)、指令實(shí)體相關(guān)特性的描述，并借助輔助工具鏈，自動(dòng)生成最終代碼，取代使用C/C++等編寫(xiě)指令集模擬，降低虛擬機(jī)模擬和調(diào)試的工作量。Smart-ISDL使用流行的可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言XML作為表現(xiàn)形式，在表現(xiàn)力上直觀而且簡(jiǎn)單。目前，Smart-ISDL描述模板主要表現(xiàn)為2個(gè)直觀的實(shí)

4、體：a)機(jī)器存儲(chǔ)部件，其中包括了寄存器和內(nèi)存的表示；b)指令實(shí)體，包括了指令的格式、類(lèi)型、指令執(zhí)行時(shí)行為等。不同于其他指令集描述語(yǔ)言，Smart-ISDL實(shí)現(xiàn)了多體系結(jié)構(gòu)描述，可以描述不同體系CPU支持的指令集合；屏蔽機(jī)器各個(gè)部件的交互細(xì)節(jié)，提供直觀的訪(fǎng)問(wèn)操作；支持多內(nèi)存體系結(jié)構(gòu)的訪(fǎng)問(wèn)；支持變長(zhǎng)數(shù)據(jù)和變長(zhǎng)指令的存取、執(zhí)行；支持對(duì)單獨(dú)寄存器位訪(fǎng)問(wèn)操作，并且支持寄存器別名訪(fǎng)問(wèn)。 在系統(tǒng)級(jí)模擬器開(kāi)發(fā)過(guò)程中，通過(guò)Smart-ISDL輔助

5、，開(kāi)發(fā)人員在模擬處理器時(shí)可以對(duì)體系底層了解甚少，轉(zhuǎn)而關(guān)注指令集執(zhí)行行為特性。理解指令執(zhí)行行為不需要特殊專(zhuān)業(yè)背景。一般說(shuō)來(lái)，指令行為就是對(duì)寄存器和內(nèi)存操作以及改變處理器和內(nèi)存系統(tǒng)的狀態(tài)。Smart-ISDL主要作出了以下幾點(diǎn)貢獻(xiàn)：a)降低了模擬器開(kāi)發(fā)者的要求，Smart-ISDL這種中間語(yǔ)言形式化地表現(xiàn)了處理器各個(gè)部件以及指令行為特點(diǎn)。b)減輕了模擬器開(kāi)發(fā)的工作量，通過(guò)Samrt-ISDL描述模板和工具鏈生成目標(biāo)代碼，可以減少整個(gè)開(kāi)發(fā)的工

6、作量。c)降低了代碼出錯(cuò)率。d)給模擬器開(kāi)發(fā)帶來(lái)了很多彈性選擇，特別在生成目標(biāo)代碼時(shí)，可以根據(jù)需要生成多個(gè)可用部件，比如反匯編器、信息統(tǒng)計(jì)、指令跟蹤器等。 論文的研究可以歸納為：首先，分析了機(jī)器描述描述語(yǔ)言和指令集描述語(yǔ)言的相關(guān)技術(shù)，并提出指令集描述語(yǔ)言的解決方案；其次，通過(guò)抽象處理器模型，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了Smart-ISDL描述模板文法，為快速高效建立處理器模型提供了一種中間描述語(yǔ)言；最后，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了Smart-ISDL的解釋器用于