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個開放源碼的嵌入式仿真環(huán)境-SkyEye
摘要：綜述開放源碼的嵌入式仿真環(huán)境SkyEye：介紹SkyEye的背景、目標和存在的意義，對目前SkyEye本身進行簡要的技術分析；介紹SkyEye上已經(jīng)移植成功的操作系統(tǒng)和典型應用。講述SkyEye正在開展的工作和將來的發(fā)展計劃。1 SkyEye的目標與意義
1.1 SkyEye產(chǎn)生的背景
操作系統(tǒng)是軟件產(chǎn)業(yè)的基礎和龍頭，能左右軟件產(chǎn)業(yè)發(fā)展的方向，是世界軟件產(chǎn)業(yè)最大的利潤來源。對于后PC時代和普適計算（pervasive computing）而言，嵌入式系統(tǒng)無處不在，其中關鍵的軟件核心技術包括嵌入式操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡互聯(lián)中間件等。
對于想進行嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)和學習，或者想研究嵌入式Linux等操作系統(tǒng)和一些底層系統(tǒng)軟件（如TCP/IP等）的研究和開發(fā)人員來說，可能存在如下幾方面的問題：①經(jīng)�？嘤诮�(jīng)費不足，缺少足夠的硬件開發(fā)板和完善的軟件開發(fā)環(huán)境；相關的書籍對一些最新軟件的分析還不夠全面，無法深研究和開發(fā)嵌入式軟件。②高層次的軟件設計和開發(fā)一般不用過多考慮底層硬件的實現(xiàn)細節(jié)，如果直接處于一具體的硬件環(huán)境下，在開發(fā)和研究中可能會陷入硬件的具體細節(jié)中不能自拔，而不能把精力放到高層次的軟件設計和開發(fā)上。③如果硬件開發(fā)環(huán)境不太穩(wěn)定（這種情況經(jīng)常見到），且對身體的硬件不是很了解，則可能在排除問題上花費大量不必要的時間。
對于想了解、學習一般操作系統(tǒng)的實現(xiàn)原理、Linux/μClinux操作系統(tǒng)或TCP/IP等系統(tǒng)級軟件的實現(xiàn)的人員，目前一般采用的方法是看書和讀源代碼。這是一種靜態(tài)的學習方法，但效率較低，比較枯燥，缺少一種動態(tài)和親自實踐的感覺。要想深入分析和開發(fā)軟件，就要動手編程，不能只是看看書，讀讀代碼，只有通過親手實踐才能夠掌握軟件設計的核心內(nèi)容。
上面所指出的問題和需求促使了SkyEye項目的誕生。
1.2 SkyEye的目標和意義
SkyEye是開源軟件（OpenSource Software）項目，中文名字是“天目”。SkyEye的目標是在通用的Linux和Windows平臺實現(xiàn)一個仿真集成開發(fā)環(huán)境，模擬常見的嵌入式計算機系統(tǒng)；可在SkyEye上運行μClinux以及μC/OS-II等多種嵌入式操作系統(tǒng)和各種系統(tǒng)軟件（如TCP/IP、圖形子系統(tǒng)、文件子系統(tǒng)等），并可對它們進行源碼級的分析和測試。SkyEye的推出具有下面三方面的意義。
①通過SkyEye仿真集成環(huán)境可以很方便地進入嵌入式系統(tǒng)軟件學習和開發(fā)的廣闊天地中。尤其對于缺少嵌入式硬件開發(fā)環(huán)境和軟件開發(fā)環(huán)境的用戶來說，它將是一個非常有效的學習工具和開發(fā)手段，因為SkyEye的整個軟件系統(tǒng)都是Open Source的，且基于GPL協(xié)議（μC/OS-II除外）。因此，如果要學習Linux操作系統(tǒng)或者進行嵌入式系統(tǒng)開發(fā)，但苦于沒有硬件支持，SkyEye仿真環(huán)境軟件是一個很好的選擇！
②如果想研究與具體硬件無關的系統(tǒng)軟件（如TCP/IP協(xié)議棧等），采用SkyEye可以有效地提高工作效率，因為你可以直接在μCOS-II和μClinux for SkyEye上進行開發(fā)和調(diào)試，而與具體硬件打交道的各種Driver已經(jīng)存在，且有源碼級調(diào)試環(huán)境，只需關心高層的邏輯設計和實現(xiàn)就可以了。
③SkyEye本身作為一個開放式的項目體系，可以劃分為多個獨立的子項目系統(tǒng)。通過參與SkyEye的各個子項目，與大家共同交流、協(xié)議，可以進一步學習、分析、精通Linux內(nèi)核，掌握ARM嵌入式CPU編程。
在32位嵌入式CPU領域中，ARM系列CPU所占比例相當大，而ARM7TDMI是其中使用最廣泛的CPU之一，因此，SkyEye首先選擇了ARM7TDMI作為仿真的目標CPU。目前，SkyEye上可運行并進行源碼級調(diào)試的有μClinux、μC/OS-II操作系統(tǒng)和LwIP（一個著名的嵌入式TCP/IP實現(xiàn)）、ARM Linux等系統(tǒng)軟件。SkyEye可用于學習、分析、開發(fā)這些系統(tǒng)軟件，了解ARM嵌入式CPU編程，而這一切都可在一個集成環(huán)境中完成。如果能夠改進SkyEye本身，則大家對ARM、8019Ethernet網(wǎng)絡芯片等硬件的了解也會更深入。
SkyEye并不能完全取代開發(fā)板等硬件的功能，但通過它可以比較容易地進入到嵌入式軟件開發(fā)的廣闊天地中。由于SkyEye建立在GDB基礎之上，使用者可以方便地使用GDB提供的各種調(diào)試手段對SkyEye仿真系統(tǒng)上的軟件進行源碼級的調(diào)試，還可以進行各種分析，如執(zhí)行點分析、程序執(zhí)行覆蓋度分析等。由于SkyEye提供了源代碼和相關文檔，有經(jīng)驗的用戶完全可以修改和擴展SkyEye來滿足自已的需求。
2 SkyEye的技術分析
2.1 SkyEye總體結(jié)構
SkyEye基于GDB/ARMulator，模仿了一個完整的嵌入式系統(tǒng)，目前包括CPU、內(nèi)存、I/O寄存器、時鐘、UART、網(wǎng)絡芯片、MMU、Cache，將來還會仿真LCD、USB等各種硬件。在SkyEye上運行的操作系統(tǒng)和各種系統(tǒng)軟件“意識”不到它們是在一個虛擬的計算機系統(tǒng)上運行。
SkyEye從總體上分為四個層次。
①用戶接口模塊：包括命令行用戶界面和圖形用戶界面，及時處理用戶的輸入命令，并把相關調(diào)試數(shù)據(jù)輸出給用戶。
②符號處理模塊：主要處理執(zhí)行文件的頭信息，解釋執(zhí)行文件中嵌的debuger調(diào)試信息，管理符號表，解析源代碼表達式，定位源代碼中的語句位置和機器碼的位置關系等。
③目標控制模塊：主要完成執(zhí)行控制（如執(zhí)行斷程序，設置中斷條件等），程序棧結(jié)構分析，對具體目標硬件的控制（如本地調(diào)試、遠程調(diào)試和仿真調(diào)試的控制）。
④目標仿真模塊：主要是模仿計算機系統(tǒng)中的主要硬件（包括CPU、內(nèi)存和各種硬件外設等）的執(zhí)行，對執(zhí)行文件的機器指令進行解釋，并仿真執(zhí)行每一條機器指令，產(chǎn)生相應的硬件響應。
2.2 SkyEye模擬的硬件介紹
目前，SkyEye仿真的CPU包含不帶MMU的AT91X40和帶MMU的ARM720T，它們都是基于ARM7TDMI CPU內(nèi)核的。SkyEye還模擬了其它硬件外設，如串口、網(wǎng)絡芯片、內(nèi)存、時鐘、網(wǎng)絡HUB等。SkyEye的CPU仿真主要完成對ARM指令集處理、寄存器操作和CPU流水線處理等的仿真。
ARM720T具有MMU（Memory Management Unit），即存儲器管理單元，是用來管理虛擬內(nèi)存系統(tǒng)的操作。MMU的兩具主要功能是：
*將虛地址轉(zhuǎn)換成物理地址；
*控制存儲器存取允許，MMU關掉時，虛地址直
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