虛擬X86處理器的研究與實現(xiàn)

摘 要： 傳統(tǒng)ISA處理器由于其內(nèi)部有限的邏輯資源和外部固定的引腳封裝，大大地限制了它的應(yīng)用范圍，但可以充分利用FPGA豐富的邏輯資源來實現(xiàn)傳統(tǒng)MCU中的各個組成部分，即Virtual MCU，在此以8086為例說明。它的可配置引腳將會幫助降低硬件設(shè)計復(fù)雜度。使用該方式構(gòu)建系統(tǒng)，對于上層軟件工程師而言其編程操作與標(biāo)準(zhǔn)MCU相一致，而對于底層可以自由配置I/O引腳，獲得最大的硬件自由度。可以依據(jù)自己的需求，定制自己的系統(tǒng)，如增加各種外設(shè)，以達(dá)到傳統(tǒng)MCU所無法完成的要求。板級驗證結(jié)果，表明該研究實現(xiàn)了既定目標(biāo)，與標(biāo)準(zhǔn)MCU?8086兼容，系統(tǒng)運行穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞： ISA處理器； FPGA； Virtual MCU； MCU?8086

中圖分類號： TN911?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）16?0120?03

1 研究背景及8086簡介

隨著時代的推進(jìn)，對控制要求及功能逐漸增多，但傳統(tǒng)ISA處理器由于其內(nèi)部有限的邏輯資源和外部固定的引腳封裝，限制了它的應(yīng)用范圍。其在產(chǎn)品升級會遇到資源受限等問題，對產(chǎn)品的推廣和維護(hù)方面存在限制；再如目前大部分高校的電子專業(yè)開設(shè)微處理器等相關(guān)課程實驗時，需針對各種不同架構(gòu)的MCU采購不同的學(xué)習(xí)平臺，這樣造成了資源的大量浪費。

為了克服上述諸多問題，可以充分利用FPGA豐富的邏輯資源來虛擬出MCU平臺[1?2]，本文以Virtual 8086 為例進(jìn)行說明。

Intel 8086是由Intel于1978年設(shè)計的16位微處理器芯片，它是X86的鼻祖。Intel 8086擁有4個16位通用寄存器，也能夠當(dāng)作8個8位寄存器來存取，以及8個16 位索引寄存器（包含了堆棧指標(biāo)），Intel 8086有8個內(nèi)存區(qū)段（segment）寄存器。

2 Virtual 8086 Core

Virtual 8086 Core是依據(jù)INTEL的8086處理器設(shè)計的，擁有16位寄存器和8位外部數(shù)據(jù)總線[3?4]。雖然8086結(jié)構(gòu)較為簡單，但是可以認(rèn)為是X86系統(tǒng)中的基礎(chǔ)，對于了解X86系統(tǒng)的指令集有較好的作用。在Virtual 8086 Core中是以HT?LAB所推出的開源8086核?CPU86為基礎(chǔ)，針對自身環(huán)境進(jìn)行移植。Virtual 8086 Core的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示[5?6]。

2.1 存儲器管理

Virtual 8086 Core是參照Intel 8086微處理器設(shè)計，是馮諾依曼結(jié)構(gòu)。采用邏輯連續(xù)，物理分離的總線結(jié)構(gòu)見圖2。主要分為如下幾部分：

（1）int Vectors（中斷向量表）。用于存放中斷跳轉(zhuǎn)地址，可以使用ROM來固定中斷函數(shù)地址也可以使用RAM，初始化后，可以動態(tài)的調(diào)整中斷處理函數(shù)地址。

（2）MON883。用于引導(dǎo)和加載應(yīng)用程序至RAM中，該空間一般使用BRAM來配置為ROM類型。

（3）RAM。用于存放應(yīng)用程序，并且為應(yīng)用程序提供必要的內(nèi)存空間。

（4）Bootstrap。啟動引導(dǎo)區(qū)，用于RESET后跳轉(zhuǎn)至MON88程序入口，啟動MON88，該空間一般使用BRAM來配置為ROM類型[7?8]。

Virtual 8086 Core啟動過程：復(fù)位后首先進(jìn)入的是Bootstrap空間，Bootstrap并不進(jìn)行其他的操作，至負(fù)責(zé)將程序指針跳轉(zhuǎn)至MON88區(qū)；MON88程序首先初始化標(biāo)準(zhǔn)輸入/輸出、內(nèi)部堆棧等寄存器，初始化完成后，允許用戶通過命令來加載應(yīng)用程序；加載結(jié)束后，跳轉(zhuǎn)至應(yīng)用程序，開始執(zhí)行程序。Virtual 8086 Core的存儲器管理機構(gòu)為單總線結(jié)構(gòu)，對于實現(xiàn)上較為簡單，按正確的時序產(chǎn)生時序即可，這里不再贅述[9]。

2.2 外設(shè)接口

Virtual 8086 Core只有單一總線模式，因此對于外設(shè)的尋址采用地址映射方式，該方式實現(xiàn)簡單，但是可能會造成地址空間的浪費[10]。

2.3 CPU86

HT?LAB的開源核CPU86兼容8086/8088指令集，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)與標(biāo)準(zhǔn)8086一致。CPU86的外圍接口圖如圖3所示，主要由數(shù)據(jù)線、時鐘線和基本的控制線構(gòu)成，對于移植也較為簡便。

3 Virtual 8086 測試

Virtual 8086 Core所執(zhí)行的程序都是固化在ROM中，為了的測試要求，需要多次更新ROM中的內(nèi)容，為此，需要使用EDK來開發(fā)一個測試工具。

3.1 測試工具

為了能夠很好的更新ROM中的數(shù)據(jù)，首先要做的是將BRAM配置為雙端口RAM，一端口給Virtual 8086 Core來進(jìn)行讀取操作，一端口提供給EDK，用來更新程序存儲器；同時EDK也可以提供簡單的控制任務(wù)，如重啟Virtual 8086 Core等，EDK使用UART來和計算機進(jìn)行操作。EDK操作流程如圖4所示。

為了方便控制，設(shè)計了一個較為簡易的PC端串口程序，用于將EDK與PC交互。其工作過程較為簡單，主要是將用戶的命令或者文件經(jīng)串口發(fā)送至EDK，其截屏如圖5所示。

3.2 測試結(jié)果

搭建一個簡單系統(tǒng)，使用串口作為8086的標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出，使用ISE綜合布線布局，其資源消耗如圖6所示。編寫一段簡易測試程序，功能為輸出hello world，并等待輸入q，獲得q輸入后退出程序，其代碼如下：

； Hello World using int21 display string routine

ORG 0100h ； result in .com start IP=0100

MOV DX，OFFSET MESS ； String offset in DX， Segment in DS

MOV AX，0900h ； Call print string bios service

INT 21h ； in mon88

waitk： MOV AH，01 ； Get char

INT 21h

CMP AL，’q’； ’q’ pressed？

JNE waitk ； No， then wait

MOV AX，04C00h ； exit with code 0 （in AL）

INT 021h ； back to bootloader/monitor

MESS DB 0Ah，0Dh，\"*** Hello World ***\"

DB 0Ah，0Dh，\"Press q to return to MON88......\"，0

使用A86.com編譯工具，生成HEX文件后，直接通過MON88引導(dǎo)程序更新代碼段，并執(zhí)行其程序，其結(jié)果如圖7所示。使用PC終端將代碼下載至片內(nèi)RAM中，由MON88負(fù)責(zé)引導(dǎo)運行。

4 結(jié) 語

使用FPGA中的豐富資源來虛擬MUC?8086是完全可行的。在工業(yè)上使用該方法可以幫助設(shè)計中不必特別在意底層硬件設(shè)計的困難，而且還可以幫助設(shè)計者裁剪出理想的系統(tǒng)，由于采用了較為成熟的MCU內(nèi)核，其設(shè)計資源眾多，有助于產(chǎn)品快速的上市，甚至可將以往程序不做任何修改而移植到新系統(tǒng)中，來發(fā)揮更加強大的作用。對電子產(chǎn)品的開發(fā)有著很大的推進(jìn)作用，可做到真正的模塊化開發(fā)，定制自己的系統(tǒng)。

Virtual MUC應(yīng)用在教育上也有廣泛的意義，可節(jié)省資源開銷，對于改善相關(guān)學(xué)科的實驗也有著重要的影響，可以使用Virtual 8086微處理器，開展如下實驗：

（1）匯編實驗，從了解最簡單的8086匯編指令開始，學(xué)習(xí)編寫匯編指令，編譯環(huán)境等；

（2） 8086實驗，將匯編程序加載后，調(diào)試運行，觀察指令運行過程，并觀察寄存器值的變化。

通過讓學(xué)生編寫匯編程序在板級調(diào)試，讓學(xué)生能夠明白匯編語言的原理和構(gòu)成，對于學(xué)生掌握計算機原理有著很好的幫助，尤其是今后有志從事X86平臺開發(fā)的同學(xué)，可以從底層了解每一條匯編語言的執(zhí)行過程和對硬件操作的方法。

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