CPU指令仿真模拟器设计

1. 整体设计

模拟器软件可被细分为多个关键模块，包括但不限于：程序指令序列执行器模块，内存模拟模块，寄存器模拟模块，反汇编模块，以及一套详尽的调试模块（包含单步执行、连续运行、暂停以及断点设置）。此外，它还配备了覆盖率记录模块、执行时间记录模块、看门狗模块、通用接口模块、实时时钟模块和控制陷阱逻辑等。

模拟器软件总体结构框图如下：

图1 模拟器软件总体结构

在这些模块中，指令执行器模块无疑是仿真器软件处理器的核心，它肩负着模拟执行CPU指令的重要职责，比如取指、译码和循环等操作。这些模拟执行流程确保了处理器功能的精确模拟。

覆盖率记录模块在模拟处理器执行指令的过程中，会详细记录执行的PC值以及各分支的跳转情况，从而生成详尽的覆盖率信息。这些信息对于了解模拟执行的全面性和准确性至关重要。

执行时间记录模块则专注于记录特定PC处的执行点，为统计和分析各种时间戳信息提供了有力的支持。这对于优化处理器性能和识别潜在性能瓶颈具有重要价值。

内存模拟模块和寄存器模拟模块则根据模拟指令对内存和寄存器进行读取和写入操作，实时更新处理器和内存的状态。这些模块保证了仿真器能够精确地模拟出实际硬件环境中的内存和寄存器行为。

调试模块为软件调试提供了强大的支持。单步执行、连续运行、暂停以及断点设置等功能使得指令序列器得到了灵活的控制，便于开发者进行详细的调试和分析。

反汇编模块则负责对内存中存储的指令进行反汇编处理，将其以人类可读的形式展示出来。这对于理解指令的执行逻辑和流程具有重要意义。

看门狗模块、通用接口模块、实时时钟模块以及陷阱控制逻辑等则独立于指令执行器模块存在，为指令执行器提供了可访问的接口和额外的功能支持。这些模块共同确保了仿真器软件的稳定性和可靠性。

1. 主要模块设计
  1. 指令执行器模块设计

指令执行器，作为CPU仿真器的根本所在，占据了主要的地位，它不仅支撑起其他模块的正常运作，更是实现处理器指令集模拟的关键所在。其功能在于与目标机高度匹配的模拟硬件环境中，包括寄存器和存储器等，准确无误地模拟出指令集中每条指令的取指、译码和执行的全过程，以及这些过程所触发的各种变化。

在指令执行的过程中，模拟器主要负责实现普通运算逻辑的精确模拟，这一过程深刻地影响着寄存器状态、CPU标志以及存储器中的内容数据。作为一款功能性的指令集模拟器，CPU仿真器以确保目标机程序运行结果的正确性为首要目标，而对于目标机指令执行的微观细节，则选择性地进行了忽略。当前阶段，我们主要聚焦于功能的模拟，对于流水线、乱序超标量执行以及多级缓存结构等复杂特性的模拟，则暂时未纳入考虑范围。

本方案在指令模拟上采取了穿线代码的设计方式，创新地将译码和调度执行两大服务程序分隔为两个相互独立的阶段。在译码阶段，模拟器对目标指令进行深入解析，并将解析结果缓存起来，以备后用。而在调度执行阶段，模拟器则直接依据缓存中的中间码进行模拟执行。为了实现这一过程，我们要求中间码必须包含足够的信息，以满足执行过程中的各种需求。在后续的内容中，我们将对中间代码的设计细节进行更为详尽的阐述。

值得一提的是，穿线代码模拟器的运行过程主要包含取指、译码和执行三个环节，但其中的取值和译码过程仅执行一次，确保了模拟过程的高效与准确。

取指操作：在执行取指操作时，系统会首先依据指令的首地址，从模拟的存储器中精确获取特定长度的机器长度指令字节。这个过程中，指令的实际长度会在译码和执行阶段被进一步确定。

译码操作：在译码阶段，系统会将机器指令分解为操作码和操作数，并识别出与之对应的指令模拟程序。每次译码操作，系统都会从机器指令缓冲区中提取出固定数量的字节（例如4个字节），并依据特定的译码规则来分析指令的操作类型、源操作数以及目的操作数。然后，这些译码结果将被妥善地存储于与指令相对应的中间码中，以备后续使用。执行操作：在执行阶段，系统利用X86的JMP指令控制流程，一旦完成一条指令的模拟程序执行，就会立即跳转到下一条指令的模拟程序继续执行。同时，系统会实时更新并保存覆盖率信息于中间码中。在这个过程中，我们使用了一个全局变量来作为停止标志。每当执行完一条指令后，系统会首先检查这个停止标志，如果设置为停止，则整个模拟器会立即停止运行。整个指令模拟执行过程的流程如图5所示。

图2　指令模拟执行过程流程

中间代码设计

中间代码作为模拟器设计的核心数据结构，其设计深深植根于穿线代码的精巧构思之中。在着手构建这一结构时，首要步骤是根据特定处理器指令集的特性，设计中间代码的格式。一般而言，处理器指令的操作数涵盖了多元化的元素，如源寄存器、目的寄存器、即时生效的立即数，以及用以控制指令执行流程的annul位等。为了全面捕捉这些操作数的丰富细节，中间代码需承担起存储这些信息的重任。不仅如此，为了确保指令模拟的精确性和流畅性，中间代码还需记录与每一条指令紧密关联的指令模拟函数的地址。经过精心设计，我们呈现出的中间代码结构如下图所示，贯彻线代码和处理器指令集的特点，为模拟器的顺畅运行提供了坚实的支撑。

typdef struct{

DWORD routine;

int32 param;

}TMCode，*PMCode；

其中routine中模拟函数的地址，param保存指令的操作数。

（2）执行器设计

指令执行器包括三个模块：指令服务例程生成模块、执行流程控制模块、指令译码模块，

指令执行器由三大核心模块构成，它们分别是：指令服务例程生成模块、执行流程控制模块以及指令译码模块。这三大模块共同协作，确保了指令执行器能够高效、准确地完成各种复杂的指令任务。

指令服务例程生成模块是负责根据具体指令要求，构造并生成相应的服务例程的模块；

执行流程控制模块是负责指挥指令执行的整个流程。它精确地调度每一个步骤，确保指令按照预定的逻辑和顺序进行，保障整个执行过程的高效性和准确性；

指令译码模块负责将复杂的指令代码转化为机器可读的执行指令。为整个指令执行器提供了坚实的底层支撑。

1. 1. 寄存器模拟设计

寄存器是CPU用于存放运算数据和运算结果的存储单元，寄存器的的设计与体系结构相关，作为一个可重定向的模拟器，对寄存器的模拟在设计理念上，我们始终遵循着两个核心原则：一是要确保模拟器能广泛兼容各类CPU类型，以适应不同的计算环境；二是要保证模拟器具有高度的可扩展性，以应对未来技术发展的挑战。基于以上原则，在设计寄存器模型时，我们应选用通用的模型作为基础。这种模型不仅能够确保模拟器的普适性和灵活性，还能够有效降低设计和实现的复杂性，提升模拟器的整体性能和可靠性。

按照一般的分类方法，寄存器分为以下几类：

处理器体系结构寄存器：处理器体系结构寄存器与处理器的整体架构紧密相连，这些寄存器不仅各自承载着特定的功能，同时也在数据传输和临时存储过程中发挥着重要作用。它们不仅满足了处理器内部特定操作的需求，还确保了数据在处理器内部的高效流通和暂时存储。
机器状态字寄存器：机器状态字寄存器旨在精确呈现处理器的当前状态以及运算结果中的特定属性。
程序计数器寄存器：程序计数器作为处理器中的一个关键寄存器，其主要功能在于准确指示接下来待执行指令的存储地址，以确保程序能够按照预定的逻辑顺序有条不紊地运行。

以下分别对PP8245和ARMM3CPU：寄存器分别进行介绍。