嵌入式体系仿真环境—SkyEye

   摘 要： 本文全面阐发了开放源码的嵌入式体系仿真集成开辟环境SkyEye，并对SkyEye上已经移植告成的利用体系、典范应用举行了先容，着末报告了SkyEye正在开展的变乱和将来的生长方向。 
   关键词：嵌入式体系；仿真环境；SkyEye；Linux；mClinux；mC/OS-II 

   SkyEye 
   SkyEye是一个在Linux和 Windows平台上实现纯软件仿真的集成开辟环境，它基于GPL协议，可在SkyEye上运行Linux、mClinux以及mC/OS-II 等多种嵌入式利用体系和种种体系软件(如TCP/IP、图形子体系、文件子体系等)，并可对它们举行源码级的阐发和测试。 
   SkyEye作为指令级仿真器，可以仿真多种嵌入式开辟板，支持多种CPU指令集，在SkyEye上运行的利用体系意识不到它是在一个假造环境中运行，并且开辟职员可以通过SkyEye调试利用体系和体系软件。由于SkyEye的目标不是验证硬件逻辑，而是资助开辟、调试和学习体系软件，以是在实现上SkyEye与真实的硬件环境相比有肯定差别。在时钟节拍的时序上，SkyEye不包管与硬件完全雷同，并简化了对软件透明的一些硬件仿真，如许可以进步SkyEye的实行屈从。 
   在32位嵌入式CPU范畴中，ARM系列CPU所占比重相称大，因此SkyEye起首选择了ARM CPU核作为仿真目标CPU核。SkyEye可用于学习、阐发、开辟Linux、mClinux、mC/OS-II利用体系内核和TCP/IP实现，相识ARM嵌入式CPU编程，而这齐备都可在一个集成环境中完成。要是可以大概改革SkyEye本身，则大家对ARM、8019 ethernet网络芯片等硬件的相识也会更深入。由于SkyEye与GDB可以无缝连合，开辟者可以方便地利用GDB提供的种种调试本领对SkyEye仿真体系上的软件举行源码级调试，还可以举行种种阐发，如实行热门阐发、步调实行包围度阐发等。 

   SkyEye技能阐发 
   SkyEye实现的硬件仿真 
   * CPU和开辟板系列 
   如今SkyEye可以仿真的CPU紧张是基于ARM内核的CPU，包括ARM7TDMI、StrongARM、ARM720T、ARM9TDMI、ARM9xx、ARM10xx、Xscale、Ateml91x40、EP7312等。 
   各硬件开辟公司可以根据它们的需求在上述CPU核上加上特定的扩展，形成基于种种ARM底子内核的特定CPU，如Atmel91X40和 EP7312，则分别扩展了ARM7TDMI和ARM720T的内存控制和种种I/O控制器，简化了开辟板的逻辑筹划，加强了开辟板的结果。 
   如今SkyEye仿真的开辟板包括基于Atmel91x40、EP7312和StrongARM的adsbitsy开辟板，以及基于XScale PXA250的lubbock开辟板。紧张仿真了映射各个开辟板的串口、时钟、RAM、ROM等硬件外设。 
   * 存储器办理单位温和存单位 
   MMU即存储器办理单位，是用来办理假造内存体系的硬件。MMU的两个紧张结果是：将假造地点转换成物理地点；控制存储器的存取权限。MMU关失时，假造地点直接输出到物理地点总线。MMU本身有少量存储空间存放从假造地点到物理地点的结婚表，此表称作TLB。为了支持仿真多种典范CPU的MMU/Cache，SkyEye包括了一个通用的MMU/Cache仿真实现。通过对一些参数的调解可以支持仿真多种典范的MMU/cache物理结讨论逻辑活动。 
   * 网络芯片 
   如今SkyEye仿真了8019as网络芯片，其特点是：NE2000兼容，内建 16K RAM缓冲区，10MB传输速率。开辟板上可以参加网络芯片8019as，再加上差别利用体系上的8019as驱动步调，可以完成种种网络应用筹划开辟。如今已经在在基于Atmel91x40的开辟板上实现了网络芯片8019as扩展，并增长了mC/OS-II和mClinux的网络驱动步调，支持大量的网络应用步调，如lwip、nfs server/clinet、http server/client、telnet server/client、ftp server/client等。 
   SkyEye总体布局 
   SkyEye基于GDB /armulator，可以仿真完备的嵌入式谋略机体系，如今包括CPU、内存、I/O寄存器、时钟、UART、网络芯片，将来还会有MMU、Cache、LCD、USB等种种硬件。 
   SkyEye从总体上分为以下四个层次。 
   用户接口模块：处理惩罚处罚用户的输入下令，并把干系调试数据输出给用户。 
   标记处理惩罚处罚模块：紧张处理惩罚处罚实行文件的头信息，表明实行文件中内嵌的debuger调试信息，以及对标记表的办理和对源代码表达式的阐发，并定位源代码中的语句位置和呆板码的位置干系等。 
   目标控制模块：紧张完成实行控制(如克制实行，克制条件的设置等)、步调栈布局阐发，以及对详详目标硬件的控制(如本地调试、长途调试和仿真调试的控制)。 
   目标仿真模块：仿真紧张硬件的实行，对实行文件的呆板指令举行表明，并仿真实行每一条呆板指令，孕育孕育产生相应的硬件相应。 

   SkyEye上运行的应用 
   由于已经实现多种软件的移植，如今在SkyEye的仿真硬件上可以运行多种利用体系、驱动步调、网络协议栈和种种应用软件。 
   ARM Linux 
   Linux原来被筹划为桌面体系，如今广泛应用于办事器范畴，而更大的影响在于它正垂垂应用于嵌入式配置。由于SkyEye仿真的CPU底子上基于ARM核，以是如今可以支持面向ARM核的Linux利用体系－ARM Linux。 
   mClinux 
   mClinux紧张针对没有MMU的处理惩罚处罚器，而标准的Linux只支持带MMU的CPU。为了淘汰OS的尺寸，mClinux采取了如下做法：删除不须要的内核结果，重新配置内核；mClinux的根(root)文件体系采取romfs文件体系；mClinux的应用步调库为精简的uClibc，而不是巨大的glibc。 
   mC/OS-II 
   无论是通过学习 mC/OS-II 来相识及时利用体系的布局，大概是直接利用它来针对细致应用举行开辟，都好坏常方便和可行的。如今在SkyEye上可以运行mC/OS-II 2.51版。 
   更多的 OS 移植 
   基于 SkyEye，开辟者可以验证自行开辟的OS，也可将更多的OS，如MINIX等，移植到SkyEye上。 
   mClinux上的TCP/IP 
   mClinux上面有完备的TCP/IP协议栈，但缺少对SkyEye网络仿真芯片的驱动步调。SkyEye实现了简化的8019as驱动步调，它紧张包括了初始化、克制处理惩罚处罚、汲取数据包和发送数据包的处理惩罚处罚等变乱。 
   基于mC/OS-II的LwIP 
   通过把开放源代码的LwIP移植到mC/OS-II上来，可得到了一套免费的嵌入式网络软件平台。体系表现图如图1所示。 
   LwIP是瑞士谋略机科学院Adam Dunkels等开辟的一应用于嵌入式体系的开放源代码TCP/IP协议栈，其含义是Light Weight(轻型)IP协议。LwIP可以移植到利用体系上，也可以在无利用体系的环境下独立运行，如今利用的是LwIP最新稳固版V0.5.3。除了LwIP之外，另有很多开源的嵌入式TCP/IP协议栈，此中的代表有tinyTCP、mcIP、mIP等。 
   Lwip上的echo办事器 
   在Lwip上实现了一个TCP echo办事器，监听7号端口，实现了RFC中最大抵的echo协议：收到什么，就往回发同样的内容。编译运行后，用ping ip地点 下令可以得到ICMP reply相应。用telnet ip地点 7(登录7号端口) 下令可以看到echo办事器的回显结果。阐发ARP、ICMP、IP、TCP协议都已正确运行。 
   mC/OS-II下的人机界面 
   实现人机界面(shell)的本质头脑是：Shell作为一个mC/OS-II下的任务，变乱于内核之外，占用一个任务号。它汲取用户输入的字符，存储到缓冲区，并回显在屏幕上，以回车键为用户输入的结束信号，随后阐发用户输入的下令名称、参数，调用相应的下令函数。不绝到这个下令函数运行返回，才连续Shell的人机交互界面，本文称之为Genie Shell。其流程图如图2所示。 
   Genie Shell实现了最底子的下令输入、阐发参数、调用下令函数结果，以及两条示例性的下令，其特色是采取了面向东西的思路来实现Shell的种种下令。 
   mClinux和ARM Linux上的应用 
   如今已经在mClinux上告成地实行了shell、ping、ifconfig、telnet server/client、ftp client/server、nfs server等大量应用步调。绝大多数mClinux或ARM Linux应用级步调完全不消修改源码就可以在SkyEye上运行。 

   SkyEye生长 
   在大学的嵌入式课程试验和嵌入式项目研究中，已把SkyEye作为一个告急的嵌入式体系开辟的实践东西，在清华大学、国防科技大学等院校得到了应用。以后，skyEye将支持仿真更多的CPU、开辟板和种种外设，并提供过细的筹划文档。除了对SkyEye进一步美满以外，本课题组正在举行以下方面的变乱。 
   LCD仿真 
   作为单片机体系告急的输出配置，LCD应用非常广泛。Skyeye中将参加LCD控制器配置仿真，并利用GTK+图形函数库在Xwindow中仿真出一个LCD屏幕。Skyeye的LCD仿真实现的表现图如图3所示。 
   IDE 集成开辟环境 
   IDE集成开辟环境是SkyEye的一个告急构成部分。全部支持GDB的IDE集成开辟环境都可以很容易地移植为SkyEye的IDE集成开辟环境。将来大概会采取结果强大、可扩展性强的Eclipse集成开辟环境作为SkyEye的IDE集成开辟环境。

参考文献
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