計算機(jī)軟件移植可視化研究論文

第第頁計算機(jī)軟件移植可視化研究論文摘要：針對控制系統(tǒng)開發(fā)中程序調(diào)試難的問題，分析了計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)，研究異構(gòu)計算機(jī)軟件移植可視化仿真技術(shù)，并設(shè)計了軟件移植的可視化仿真系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)表明，該方法能解決異構(gòu)機(jī)之間軟件兼容和移植問題，提高了控制系統(tǒng)開發(fā)的效率。

關(guān)鍵詞：異構(gòu)計算機(jī)；軟件移植；可視化仿真；指令系統(tǒng)

微機(jī)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種控制系統(tǒng)、智能儀器儀表、智能家電等領(lǐng)域。單片機(jī)性價比的提高，使單片機(jī)成為嵌入式系統(tǒng)的主流芯片。

目前，控制系統(tǒng)開發(fā)的常用方法是在PC機(jī)上編寫和調(diào)試單片機(jī)系統(tǒng)程序。雖然，國內(nèi)外有不少單片機(jī)開發(fā)系統(tǒng)，但由于單片機(jī)與PC機(jī)體系結(jié)構(gòu)不同，用單片機(jī)指令編寫的程序無法直接在PC機(jī)上運(yùn)行，因此，系統(tǒng)開發(fā)時要有仿真器、編程器等專用設(shè)備，程序運(yùn)行不能脫離單片機(jī)開發(fā)裝置。因此，基于單片機(jī)的系統(tǒng)開發(fā)，源程序調(diào)試工作非常復(fù)雜，操作繁瑣，調(diào)試結(jié)果的顯示不夠直觀。針對上述情況，研究異構(gòu)計算機(jī)軟件移植可視化仿真技術(shù)，設(shè)計獨(dú)立于單片機(jī)開發(fā)裝置的可視化仿真系統(tǒng)，應(yīng)用于控制系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)和實(shí)驗(yàn)具有重要的意義。本文在研究異構(gòu)計算機(jī)軟件移植可視化仿真技術(shù)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了在IBM-PC機(jī)上運(yùn)行51系列單片機(jī)指令的可視化仿真系統(tǒng)，該仿真系統(tǒng)完全獨(dú)立于單片機(jī)開發(fā)裝置。

1軟件移植概述

1.1軟件移植方法

計算機(jī)系統(tǒng)層次模型[1]說明了各層次之間的關(guān)系及程序的執(zhí)行情況。指令在計算機(jī)中執(zhí)行的過程，實(shí)際上是指令由系統(tǒng)的高層逐級向低層轉(zhuǎn)換的過程，從應(yīng)用語言級直到微程序語言級，最后產(chǎn)生各種控制命令，驅(qū)動計算機(jī)的硬件完成指令功能。高層語言轉(zhuǎn)換為低層語言的實(shí)現(xiàn)方法有翻譯法和解釋法：翻譯法是將高層程序變換成低一層等效程序，其處理流程可描述為

while(excutingFlag)

{取指令；

分析指令；

轉(zhuǎn)換成本層指令并保存；

}

執(zhí)行轉(zhuǎn)換后的指令；

上述流程中變量excutingFlag為執(zhí)行程序是否結(jié)束標(biāo)志，其值為0表示程序結(jié)束。翻譯法又分為動態(tài)翻譯和靜態(tài)翻譯。動態(tài)翻譯在程序運(yùn)行過程中，將被仿真的指令逐條轉(zhuǎn)換成仿真程序代碼；靜態(tài)翻譯是代一次將所有被仿真的程序轉(zhuǎn)換為仿真代碼后執(zhí)行。解釋法是低層機(jī)器仿真高層機(jī)器級語句或指令，即對高層機(jī)器級語言進(jìn)行解釋并執(zhí)行。其處理流程可描述為

while(excutingFlag)

{取讀指令；

分析指令；

解釋執(zhí)行；

}

翻譯法速度快，但編程和調(diào)試?yán)щy；解釋法易實(shí)現(xiàn)和調(diào)試，但速度慢。異構(gòu)機(jī)之間的軟件移植實(shí)際上也可以看成是將一臺機(jī)器上所描述的語言在另一臺機(jī)器上從高層向低層轉(zhuǎn)換的過程。要實(shí)現(xiàn)異構(gòu)機(jī)之間的軟件移植，可以采用模擬和仿真兩種方法[1]。模擬就是用一臺機(jī)器（宿主機(jī)）的機(jī)器語言解釋另一臺機(jī)器（虛擬機(jī)）的指令系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)軟件移植方法。但是這種方法運(yùn)行速度顯著降低、實(shí)時性差、編寫程序困難。仿真是用微程序（宿主機(jī)）直接解釋另一種機(jī)器（目標(biāo)機(jī)）指令系統(tǒng)的方法。這種方法速度快，但微程序機(jī)器結(jié)構(gòu)依賴于傳統(tǒng)機(jī)器級結(jié)構(gòu)，開發(fā)人員需要了解微程序機(jī)器的邏輯結(jié)構(gòu)，當(dāng)兩種機(jī)器結(jié)構(gòu)差別較大時很難仿真。

1.2軟件移植步驟

在實(shí)際應(yīng)用中，為了解決異構(gòu)計算機(jī)之間軟件移植問題，可以根據(jù)設(shè)計人員的需要開發(fā)指令仿真系統(tǒng)。指令仿真系統(tǒng)開發(fā)的一般步驟為

(1)分析仿真計算機(jī)和被仿真計算機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)、指令功能和指令結(jié)構(gòu)；

(2)需求分析，編寫程序模塊和各模塊流程圖；

(3)選擇合適的編程語言并編寫程序；

(4)程序調(diào)試和優(yōu)化；

2數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)描述

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)描述關(guān)系到程序運(yùn)行效率。在實(shí)際應(yīng)用中，我們設(shè)計的仿真系統(tǒng)主要解決在IBM-PC機(jī)上執(zhí)行由MCS51系列單片機(jī)指令系統(tǒng)所編寫的匯編源程序，在分析MCS51單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)[2]的基礎(chǔ)上，根據(jù)C語言的特點(diǎn)，同時兼顧程序運(yùn)行的效率，合理地描述了系統(tǒng)設(shè)計所需的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

2.1程序存儲器結(jié)構(gòu)

MCS51內(nèi)部雖然只有4kB的程序存儲器，但在實(shí)際應(yīng)用中可以在外部擴(kuò)展至64kB，其內(nèi)部有一個16位的程序計數(shù)器PC可尋址64kB以訪問程序存儲器。根據(jù)單片機(jī)指令結(jié)構(gòu)[2]及C語言的數(shù)據(jù)類型關(guān)系，并考慮到程序仿真時并不會用到所有的存儲單元，因此采用鏈?zhǔn)酱鎯Y(jié)構(gòu)。程序存儲器的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)描述如下：

typedefstructprogMEM

{charopCode;

unsignedlabel;

//該條指令如果有標(biāo)號，則存放其地址

charopNum1;

charopNum2;

charopNum3;

pMEMrecAddr;

//存放當(dāng)前指令的地址

pMEMnextIs;

//指向下一條指令的地址

}MemData,*pMEM;

pMEMPC;

在結(jié)構(gòu)體中，幾個字符型變量分別用于存放指令的操作碼和操作數(shù)，并用結(jié)構(gòu)體指針變量存放當(dāng)前指令及下一條指令的地址。仿真系統(tǒng)將單片機(jī)源程序翻譯成目標(biāo)代碼放在程序存儲器（結(jié)構(gòu)體）中，通過結(jié)構(gòu)體類型的指針變量可以訪問程序存儲器中的指令。

2.2數(shù)據(jù)存儲器結(jié)構(gòu)

MCS51將工作寄存器、端口和數(shù)據(jù)存儲器統(tǒng)一編址，存儲空間為256B。堆棧區(qū)設(shè)在30H~7FH，由堆棧指針SP指向棧頂。內(nèi)部RAM，除了工作寄存器、位標(biāo)志、堆棧以外的單元，其余都可以當(dāng)一般數(shù)據(jù)寄存器使用。如果內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器不夠用，可以外接數(shù)據(jù)存儲器，擴(kuò)展至64kB。內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器在程序調(diào)試時需經(jīng)常查看單元內(nèi)容，且數(shù)量不大，因此將內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器定義為數(shù)組，堆棧指針定義為整型，并初始化為30H。

chardataRAM[256];

intramSP=0x30;

數(shù)據(jù)存儲器單元的地址和數(shù)組的下標(biāo)對應(yīng)，這樣在程序調(diào)試時，如果要查看內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器的內(nèi)容，只要查看數(shù)據(jù)相應(yīng)元素的值即可。另外定義一個結(jié)構(gòu)體類型，模擬外部擴(kuò)展的數(shù)據(jù)存儲器，結(jié)構(gòu)體定義如下：

typedefexDataRAM

{chardata;

unsignedaddrRAM;

//存放存儲單元的地址，用于查詢

exRAMptexDataP;

}RAMdata,*exRAMpt;

如果用到外部數(shù)據(jù)存儲器，則將數(shù)據(jù)存在動態(tài)鏈?zhǔn)酱鎯Y(jié)構(gòu)中，由于仿真程序運(yùn)行時使用本機(jī)的存儲器，因此其地址與仿真的單片機(jī)的地址不同，用一個變量addrRAM存放數(shù)據(jù)存儲器的地址，以便于地址單元內(nèi)的數(shù)據(jù)查詢。

3軟件移植的可視化仿真

軟件移植可視化仿真系統(tǒng)，不僅要完成匯編指令的功能，而且應(yīng)該根據(jù)要求查詢程序執(zhí)行后各寄存器的內(nèi)容、端口的狀態(tài)和運(yùn)行結(jié)果。在系統(tǒng)開發(fā)過程中，我們詳細(xì)分析了單片機(jī)指令格式[2]和計算機(jī)執(zhí)行指令的過程[3]，并根據(jù)仿真的速度要求，通過比較各語言的特點(diǎn)，選用VisualC++語言和80x86匯編語言，采用C語言環(huán)境下的在線匯編技術(shù)，用解釋法實(shí)現(xiàn)可視化指令仿真系統(tǒng)。

3.1軟件移植過程

解釋法完成異構(gòu)機(jī)指令仿真，需要對源程序中的每一條指令執(zhí)行如下操作：

step1對指令從右向左掃描，如果有注釋，則去掉注釋；

setp2對指令從左向右掃描，如果有標(biāo)號，則去掉標(biāo)號，并記錄標(biāo)號所在位置；

step3將無標(biāo)號和注釋的指令從左向右逐步分離出操作碼和操作數(shù)；

step4保存操作碼和操作數(shù)；

step5分析操作碼的功能并執(zhí)行該指令。重復(fù)執(zhí)行以上步驟直到程序結(jié)束，對分離出的操作碼和操作數(shù)存入結(jié)構(gòu)體progMEM定義的變量中。實(shí)現(xiàn)這一過程的函數(shù)結(jié)構(gòu)如下：

pMEMStringSplit(char*IstructionString)

{IsCode_Num=newMemData;

⋯

if(scan_char==’;’)

{去除分號后的內(nèi)容;}

if(scan_char==’:’)

{保存該指令所在單元地址;}

if(scan_char==’’)

{保存空格前的字符串;}

//得到的第一個字符串為操作碼

⋯

return(IsCode)

}

該函數(shù)入口參數(shù)為指令字符串，返回指向保存該指令的結(jié)構(gòu)體變量的指針。生成目標(biāo)代碼和執(zhí)行指令的過程可以用switch語句或事先設(shè)計函數(shù)跳轉(zhuǎn)表實(shí)現(xiàn)[4]，本文采用switch語句實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)函數(shù)結(jié)構(gòu)如下：

voidGetCode(pMEMinCode)

{⋯

switch(opCode)

{casecode1:excuCode1()；break;

casecode2:excuCode2();break;

⋯

casecodeN:excuCodeN();break;

}

⋯

}

以上代碼中excuCodeN的入口參數(shù)為指令的操作碼和相應(yīng)的操作數(shù)。

3.2可視化仿真的實(shí)現(xiàn)

可視化仿真系統(tǒng)應(yīng)該提供一個集成開發(fā)環(huán)境，在此環(huán)境下可以編輯新的匯編程序和打開已經(jīng)存在的源程序，并能將用被仿真計算機(jī)語言所編寫的源程序匯編（編譯或解釋）成IBM-PC所能識別的代碼及執(zhí)行所需的操作，根據(jù)需要查詢相應(yīng)存儲器單元的內(nèi)容和端口的狀態(tài)并顯示查詢結(jié)果。本系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)集成開發(fā)環(huán)境時，設(shè)計一個文本窗口，在窗口內(nèi)輸入的每條指令占用一行，程序輸入后，選擇工具菜單中的“執(zhí)行”命令，則對窗口內(nèi)的指令逐行掃描，完成對程序的解釋執(zhí)行。程序執(zhí)行分單步執(zhí)行和連續(xù)執(zhí)行，如果是單步執(zhí)行，則執(zhí)行一條指令后顯示相應(yīng)存儲單元或寄存器的內(nèi)容。連續(xù)執(zhí)行，則在執(zhí)行完所有的指令后，彈出一個對話窗口，根據(jù)實(shí)際，可以查看所有數(shù)據(jù)存儲器和特殊功能寄存器的內(nèi)容，或者輸入要查看的寄存器或內(nèi)存單元的地址，顯示相應(yīng)單元內(nèi)容，結(jié)果顯示采用十進(jìn)制或二進(jìn)制。對于端口狀態(tài)，顯示數(shù)據(jù)為二進(jìn)制形式。結(jié)果的可視化查詢對于存儲器和寄存器采用不同的技術(shù)，為每一個寄存器設(shè)置一個文本框，用以顯示對應(yīng)寄存器的內(nèi)容，而所有程序中涉及到的存儲單元的內(nèi)容顯示在同一個文本窗口中。

4結(jié)束語

本文介紹的可視化仿真系統(tǒng)的開發(fā)技術(shù)，使用圖形用戶界面（GUI），實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法顯示直觀、結(jié)果查詢方便，而且應(yīng)用VC環(huán)境下在線匯編技術(shù)，編寫的程序代碼占用系統(tǒng)資源少，又能保證系統(tǒng)運(yùn)行效率。雖然本文以IBM-PC和單片機(jī)作為應(yīng)用實(shí)例，但是詳細(xì)分析其它異構(gòu)計算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)和指令功能，使用本文提出的軟件移植的可視化仿真技術(shù)，不僅可以解決各種系統(tǒng)開發(fā)中的難題，而且可以解決各種異