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16位/32位MCU软件仿真器的设计与实现

作　者: 徐怀亮
导　师: 朱巧明
学　校: 苏州大学
专　业: 计算机应用技术
关键词: MVC模式构件技术 MCU软件仿真器虚指令集仿真调试
分类号: TP337
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

在PC机和普适计算盛行的今天,嵌入式系统的应用已经成为计算机工业最热门的领域之一,16位/32位高端MCU由于具有功能强大、处理速度快、能耗低等优点,逐渐成为研究与开发的热点。在嵌入式应用的软件开发中,传统交叉开发方式制约了系统开发的效率,硬件对软件的牵制严重影响软件的调试和测试,延误开发进度,致使软件质量难以保整。软件仿真是摆脱困境的一种有效途径,利用仿真技术模拟硬件系统的运行,使软件开发和系统测试在虚拟平台上进行,避免软硬件开发的相互等待,提高开发效率,降低风险成本。本文通过研究16位/32位MCU软件仿真的相关技术,设计并实现了一种具有良好扩展性和通用性的MCU软件仿真器。本文实现的仿真器采用面向对象的设计思想,参照MVC模式,把仿真器的结构分为两层:用户接口层和指令仿真层。接口部分采用构件技术实现,使得仿真器具有良好的扩展性,指令仿真层采用虚指令技术,使得仿真器具有良好的通用性。首先,本文通过对MCU硬件体系结构的分析,提出了在构造MCU软件仿真器时引入构件技术,设计了基于构件的MCU软件仿真器模型,并实现各个子构件的设计,通过动态集成方式将分离的构件组合起来,构成一个完整的MCU软件仿真器,实现动态配置仿真器的功能,使其具有良好的扩展性。其次,为实现对不同体系MCU指令集的仿真,本文提出采用虚指令技术来设计指令的仿真,研究了虚指令的设计与翻译,设计了虚指令函数并对翻译的虚指令进行优化,实现了体系无关的通用型指令仿真的设计。再次,为便于用户进行软件开发,本文设计实现了基于构件的仿真调试平台,提供多种调试方式和部分时序分析的功能。最后,本文对MCU软件仿真器进行测试,结果表明仿真器模型和虚指令的设计都能较好的满足仿真器的要求。

全文目录

中文摘要  3-4
Abstract  4-9
第一章绪论  9-16
  1.1 嵌入式系统与MCU概述  9
  1.2 研究背景  9-10
  1.3 课题来源  10
  1.4 研究现状  10-13
    1.4.1 嵌入式软件开发方式比较  10-12
    1.4.2 研究现状  12-13
  1.5 基于构件的MCU软件仿真器模型  13-14
  1.6 研究内容与本文结构  14-16
    1.6.1 研究内容  14
    1.6.2 本文结构  14-16
第二章 MCU软件仿真的相关技术  16-23
  2.1 仿真技术概述  16-18
    2.1.1 MCU软件仿真技术  16-17
    2.1.2 仿真分类  17-18
  2.2 构件技术  18-20
    2.2.1 构件模型  19
    2.2.2 构件动态组合技术  19-20
    2.2.3 基于构件开发的现状  20
  2.3 虚指令技术  20-21
  2.4 MVC设计模式  21-22
  2.5 本章小结  22-23
第三章基于构件的MCU仿真器的设计  23-31
  3.1 常见MCU结构的分析  23-24
    3.1.1 常见MCU结构  23-24
    3.1.2 MCU的仿真过程  24
  3.2 MCU软件仿真器  24-26
    3.2.1 MCU软件仿真器模型的设计  24-25
    3.2.2 SSM模型的工作流程  25-26
    3.2.3 SSM模型的特点  26
  3.3 SSM的设计方法  26-28
    3.3.1 MCU构件的设计  26-27
    3.3.2 其他构件的设计  27-28
  3.4 SSM模型的逻辑关系  28-29
  3.5 SSM模型的扩展性分析  29-30
  3.6 本章小结  30-31
第四章 MCU软件仿真器的实现  31-48
  4.1 MCU构件的结构  31-32
  4.2 MCU构件的实现  32-39
    4.2.1 寄存器构件的实现  32-34
    4.2.2 流水线构件的实现  34-36
    4.2.3 异常处理仿真的实现  36-38
    4.2.4 MCU构件的实现  38-39
    4.2.5 MCU其他构件的实现  39
  4.3 MMU构件的实现  39-42
    4.3.1 MMU的原理  39-41
    4.3.2 MMU的实现  41-42
  4.4 Cache构件的实现  42-43
    4.4.1 Cache的结构设计  42
    4.4.2 Cache的工作过程  42-43
    4.4.3 Cache的实现  43
  4.5 WriteBuffer构件的实现  43-44
  4.6 其他构件的实现  44-45
  4.7 MCU与其他构件的接口  45-46
    4.7.1 与片内构件的接口  45
    4.7.2 与片外构件的接口  45-46
  4.8 本章小结  46-48
第五章虚指令集的设计与实现  48-66
  5.1 处理器体系结构的比较  48-52
    5.1.1 ARM体系结构  48-49
    5.1.2 HCS12体系结构  49-50
    5.1.3 Coldfire体系结构  50-52
  5.2 虚指令集的设计  52-57
    5.2.1 虚指令的概念  52-53
    5.2.2 虚指令集的构建  53-54
    5.2.3 虚指令集  54-57
  5.3 指令翻译器的设计  57-63
    5.3.1 指令翻译技术  57-58
    5.3.2 虚指令的翻译  58-61
    5.3.3 翻译的优化技术  61-63
  5.4 指令仿真的实现  63-64
    5.4.1 虚指令匹配  63
    5.4.2 指令执行函数的设计  63-64
  5.5 本章小结  64-66
第六章调试模块的设计与验证  66-79
  6.1 调试模块的分析  66-70
    6.1.1 调试模块的介绍  66
    6.1.2 调试信息的获取  66-67
    6.1.3 符号表处理  67-70
  6.2 MCU仿真调试模块的设计与实现  70-75
    6.2.1 MCU仿真调试模块的设计  70-71
    6.2.2 仿真调试模块的构建  71-72
    6.2.3 调试模块的实现  72-73
    6.2.4 时序分析  73-75
  6.3 MCU仿真器验证  75-77
    6.3.1 验证  75-77
    6.3.2 结果分析  77
  6.4 本章小结  77-79
第七章结束语  79-81
参考文献  81-83
攻读硕士学位期间参与的科研项目和发表的论文  83-84
致谢  84-85
详细摘要  85-87

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