引言

在進行嵌入式系統開發時，通常是在宿主機上通過交叉編譯方式生成目標機平臺的二進制代碼，然后將其寫入目標機中運行，這種開發方法的一個缺點是不易調試生成的目標代碼邏輯，因此，目前許多交叉編譯工具都具有在宿主機上調試源代碼的功能。要讓目標機平臺的二進制代碼能夠在宿主機上運行，必須提供一個虛擬的能夠執行目標機指令的系統。本文以80C51單片機為目標機，基于X86平臺的PC機為宿主機，給出了一種在宿主機上構造虛擬目標機指令執行系統的方法。

1 虛擬指令執行系統簡介

本文所述的80C51虛擬指令執行系統是指用軟件來模擬80C51指令的執行過程和執行效果，它主要由虛擬指令執行器和虛擬存儲器組成。虛擬指令執行器是虛擬指令執行系統的核心模塊，它將指令的執行過程分為取指令、分析指令和執行指令三個階段，模擬這三個階段的操作并虛擬出指令的執行效果。虛擬存儲系統是虛擬指令執行系統必不可少的模塊，它反映著虛擬指令執行器執行指令的效果，本文以80C51體系中存儲器的結構為依據，虛擬出存儲器空間和寄存器，并提供了虛擬指令執行器訪問虛擬存儲器的接口。

圖1是虛擬80C51指令執行系統的總體結構圖，同時圖1也顯示了系統運行的三個基本過程：

(1)加載二進制文件到虛擬存儲器的ROM中
(2)虛擬指令執行器周期性地從虛擬存儲器的ROM中取指令、分析指令并且執行指令
(3)指令在執行過程中通過讀寫虛擬存儲器中的內存和寄存器來反映指令執行效果
顯然，上述過程是圍繞著虛擬指令執行器和虛擬存儲器進行的。

2 虛擬存儲器的設計與實現

加載過程和虛擬指令執行器都依賴于虛擬存儲器，因此先介紹虛擬存儲器的實現是必要的。從訪問的角度分析，寄存器和存儲器具有同樣的屬性，可以使用類似的實現方法虛擬它們。本文虛擬存儲器的范圍包括虛擬的存儲空間和寄存器。


2．1 虛擬80C51存儲空間

80C51的存儲空間除了有ROM和RAM之分，還有片內和片外之分。80C51指令在執行的時候訪問的數據可以存在于以下四種類型的存儲單元中：片內ROM，片外ROM，片內RAM，片外RAM，它們的地址空間見表1。

各個存儲空間的容量都較小，可以通過開辟相應大小的不同數組來虛擬存儲空間：

虛擬存儲器除了要虛擬出存儲空間，還要提供訪問的接口：讀存儲單元和寫存儲單元。在讀寫存儲單元時需要指出存儲單元的類型。

使用這兩個接口，虛擬指令執行器在執行指令時可以方便地訪問虛擬存儲器。

2．2 虛擬80C51寄存器

80C51的寄存器可以分為三類：特殊寄存器(SFR)，工作寄存器(R0～R7)，程序計數器(PC)，虛擬系統對這三種寄存器有不同的虛擬方式和訪問方式。

1)特殊寄存器的虛擬和訪問

80C51的特殊寄存器的地址空間范圍是0x80～0xFF，每一個特殊寄存器在這個地址空間中有一個確定的地址，從虛擬角度可以認為特殊寄存器和RAM具有類似的訪問特點，因此可以使用虛擬存儲器的方法來虛擬特殊寄存器：

這樣，可以使用虛擬存儲器提供的讀寫接口來訪問特殊寄存器。

2)工作寄存器的虛擬和訪問

不同于特殊寄存器，工作寄存器R0～R7的地址在指令執行過程是不確定的。它們的地址由特殊寄存器PSW中的RS1位和RS0位的值決定，其物理地址占用片內RAM的地址空間，見表2。圖2給出了訪問工作寄存器Rn的流程。