ARM体系结构虚拟化技术的研究与实现

论文摘要

在嵌入式研究飞速发展的今天,嵌入式系统的研究与开发已经成为当今计算机科学的一个重要分支。由嵌入式应用领域的特点所决定,嵌入式系统开发通常需要依赖特定的硬件环境。然而,对硬件环境的过度依赖,给嵌入式系统的开发带来很多麻烦,因为嵌入式系统一定要针对特定的硬件进行开发,这是嵌入式系统开发比一般系统开发要困难得多的主要原因之一,也是嵌入式系统开发的特点之一,即面向特定应用和面向特定硬件体系结构的专用性。这种嵌入式系统开发的特点导致了嵌入式系统的研发周期长,另一方面也使得设计工作缺乏足够的灵活性。为了解决上述问题,采用硬件仿真虚拟化技术的软件模拟器已经成为嵌入式系统研发中的主要工具之一。硬件仿真虚拟化技术可以虚拟出底层硬件,减少嵌入式系统开发对硬件环境的依赖。本论文研究和提出了一种ARM系统模拟器,可用来模拟ARM系统的部分外部特性和内部功能,实现对ARM硬件系统的高度仿真,使得运行在模拟器上的程序无法感知到底层硬件的存在,就如同运行在真实硬件平台上。该模拟器可应用于嵌入式系统软硬件协同设计、嵌入式操作系统开发与评估以及嵌入式应用软件性能评估等方面,可大大提高嵌入式系统开发的效率和灵活性。本论文主要研究和实现了对ARM系统基本的模拟,即ARM指令集模拟,ARM存储管理模拟以及中断异常模拟。本文改进了传统的解释型模拟技术,采用缓存指令的技术提高了指令模拟的效率。通过模拟ARM存储管理单元,实现模拟器对ARM内存管理的模拟。整个系统使用C语言进行编写,能够运行在linux和Windows操作系统上,具有良好的可移植性。模拟器通过对ARM体系结构的模拟,使得在X86平台上可以运行调试ARM二进制映像。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 课题的背景和意义
• 1.2 本文解决的问题
• 1.3 本文的组织结构
• 第二章 虚拟化关键技术介绍
• 2.1 虚拟化技术概述
• 2.1.1 虚拟化技术的发展
• 2.1.2 虚拟化技术的类型
• 2.2 虚拟化技术的应用
• 2.3 QEMU的分析
• 2.3.1 QEMU的特点和应用
• 2.3.2 Linux下QEMU的构建和使用
• 2.3.3 QEMU动态翻译器
• 2.4 本章小结
• 第三章 ARM指令集的模拟
• 3.1 指令集模拟方法的研究
• 3.1.1 解释型指令集模拟器
• 3.1.2 编译型指令集模拟器
• 3.1.3 一种改进指令集模拟方法的研究
• 3.2 微处理器模拟的设计
• 3.3 指令集模拟的研究与实现
• 3.3.1 指令的表示
• 3.3.2 指令的模拟调度技术的研究
• 3.3.3 指令的获取
• 3.3.4 指令的译码过程
• 3.3.5 ARM指令的条件执行
• 3.3.6 指令的缓存
• 3.4 部分指令模拟函数的接口
• 3.5 本章小结
• 第四章 内存管理和异常中断的模拟
• 4.1 内存管理单元MMU的介绍
• 4.2 虚拟地址到物理地址变换模拟的研究
• 4.2.1 一级地址变换的模拟
• 4.2.2 二级地址变换的模拟
• 4.2.3 大页地址变换模拟
• 4.3 MMU存储访问控制模拟的研究
• 4.3.1 MMU中的存储访问权限控制位
• 4.3.2 MMU中的域
• 4.3.3 存储访问失效模拟的实现
• 4.4 中断异常的介绍
• 4.4.1 中断异常种类
• 4.4.2 中断向量表
• 4.4.3 中断优先级
• 4.5 中断异常模拟的实现
• 4.6 部分内存管理和中断异常模拟函数接口
• 4.7 本章小结
• 第五章 系统测试
• 5.1 运行测试
• 5.2 对比实验
• 5.3 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 未来的研究
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间科研情况