基于FPGA的M2M異構(gòu)虛擬化系統(tǒng)(二)

Table 1 寄存器映射

　　除了這些寄存器外，還給8086提供了3個(gè)輔助寄存器，t0、t1和t2。t0一般作為參數(shù)寄存器或返回值寄存器，t1和t2一般作為臨時(shí)寄存器。這幾個(gè)寄存器的存在有很大的必要性。

　　4.2.6.上下文切換

　　從翻譯流程可以看出，整個(gè)過(guò)程有兩個(gè)運(yùn)行環(huán)境。翻譯過(guò)程是在MIPS環(huán)境中，執(zhí)行則是在MIPS的8086虛擬環(huán)境中。但硬件只有MIPS的一套寄存器，8086的寄存器是映射到MIPS的寄存器。在切換運(yùn)行環(huán)境時(shí)，要先保存當(dāng)前寄存器組，再載入新的寄存器組。方式可以有兩種。一種是將寄存器組保存至堆棧，另一種是將寄存器組保存至內(nèi)存。這里將其保存至內(nèi)存，因?yàn)檫@更利于調(diào)試，可將寄存器值調(diào)出來(lái)查看。

　　上下文切換實(shí)現(xiàn)：

　　/**

　　* context switch

　　* @param type - 0:從x86切換到mips,other:從mips切換到x86

　　*/

　　void _contextSwitch(int type) {

　　if (type == _MIPS_TYPE) {

　　_saveRegisters(_X86_TYPE);

　　_loadRegisters(_MIPS_TYPE);

　　} else {

　　_saveRegisters(_MIPS_TYPE);

　　_loadRegisters(_X86_TYPE);

　　}

　　}

　　上下文切換的流程及實(shí)現(xiàn)如下。

　　圖 34 寄存器組切換

　　4.2.7.字節(jié)順序與邊界對(duì)齊問(wèn)題

　　字節(jié)序(Byte Order)一般有兩種：大端序(big-endian)和小端序(little-endian)。大端序是將最高有效字節(jié)(MSB，Most Significant Byte)存放至低地址，小端序則是將最低有效字節(jié)(LSB，Least Significant Byte)存放至低地址。MIPS采用的是大端序，而8086使用的是小端序。因此，在二進(jìn)制翻譯中，必須要處理這種差異。

　　8086在訪問(wèn)內(nèi)存時(shí)，如果是字節(jié)操作，那么翻譯時(shí)，可以使用對(duì)應(yīng)的MIPS字節(jié)操作指令，如lb，sb等。字節(jié)的操作不會(huì)有字節(jié)序問(wèn)題，處理多字節(jié)時(shí)會(huì)有字節(jié)序問(wèn)題。8086訪問(wèn)多字節(jié)時(shí)，不能使用相應(yīng)的MIPS指令，而應(yīng)拆分讀取，最后再拼湊。過(guò)程如圖 35所示。

　　圖 35 字節(jié)序問(wèn)題解決

　　4.2.8.堆棧處理

　　MIPS有一個(gè)堆棧寄存器$sp，8086則是使用一個(gè)堆棧段寄存器SS與一個(gè)堆棧指針寄存器SP，實(shí)際地址為段基址加偏移地址。本設(shè)計(jì)MIPS和8086各自有自己的堆棧空間。8086堆棧操作對(duì)象有寄存器、立即數(shù)、內(nèi)存等。這里以寄存器壓棧為例，出棧情況類(lèi)似。壓棧時(shí)，首先要計(jì)算出絕對(duì)地址，然后將寄存器保存。計(jì)算地址方法：(SS 4) + IP，是一個(gè)20位地址，尋址1M。push AX時(shí)，是對(duì)一個(gè)16位寄存器壓棧，由上面的字節(jié)序分析可知，要拆分成兩個(gè)字節(jié)壓棧。這里為了簡(jiǎn)便，直接對(duì)32位MIPS寄存器進(jìn)行壓棧，因?yàn)?086寄存器只占用MIPS寄存器的高16位。這里，絕對(duì)地址是放在輔助寄存器里的，因此要對(duì)該輔助寄存器進(jìn)行保存，以防止要壓棧的寄存器就是該輔助寄存器而造成壓棧失敗。我們是將該輔助寄存器保存在MIPS的堆棧中。

　　4.2.9.操作數(shù)分析

　　8086的操作數(shù)類(lèi)型比較多樣，有寄存器、立即數(shù)、內(nèi)存等。每個(gè)類(lèi)型的位寬還可以變化，有8位、16位之分。MIPS比較規(guī)則，寄存器為32位，立即數(shù)為16位。兩者之間的轉(zhuǎn)換是翻譯的重要方面。

　　寄存器如果是16位，則可以直接映射到對(duì)應(yīng)MIPS寄存器的高16位。如果是8位寄存器，不管是高8位還是低8位，一般都要移出至輔助寄存器的高8位。移到高8位的原因是為了運(yùn)算時(shí)能產(chǎn)生正確的標(biāo)志位。運(yùn)算完后再將運(yùn)算結(jié)果搬回8086寄存器。

　　立即數(shù)有3種情況：8位，16位及由8位符號(hào)擴(kuò)展來(lái)的16位立即數(shù)。8位及8位符號(hào)擴(kuò)展可直接以字節(jié)訪問(wèn)內(nèi)存得到，16位立即數(shù)則要注意字節(jié)序問(wèn)題，上面已分析過(guò)。

　　內(nèi)存方面涉及到內(nèi)存地址及所指向的內(nèi)存內(nèi)容。內(nèi)存地址的拼接會(huì)在下文詳細(xì)分析，8086有多種段寄存器與偏移的組合方式。取內(nèi)存內(nèi)容時(shí)也會(huì)遇到字節(jié)序的問(wèn)題。

　　操作數(shù)類(lèi)型示意圖如下。

　　圖 36 操作數(shù)類(lèi)型

　　4.2.10.二進(jìn)制翻譯及代碼生成

　　這部分主要解析8086指令，將其拆分，并生成相應(yīng)的MIPS代碼。在具體解析指令之前，先研究下8086二進(jìn)制機(jī)器碼的特點(diǎn)，抽出公共特征。以下幾張表均來(lái)自于[6]。

Table 2 oo修飾位說(shuō)明

Table 3 16位寄存器/存儲(chǔ)器（mmm）字段描述

Table 4寄存器字段（rrr）的分配

Table 5 對(duì)段寄存器的寄存器字段（rrr）的分配

　　對(duì)oo字段的解析如下。當(dāng)oo為00的時(shí)，mmm索引存儲(chǔ)器有點(diǎn)變化。當(dāng)mmm為110b時(shí)，并不是按照表3來(lái)索引SS:[BP]，而是DS+16位偏移量，其余情況則是按照表3，偏移量為0。當(dāng)oo為01時(shí)，偏移量為8位有符號(hào)數(shù)。當(dāng)oo為10時(shí)，偏移量為16位有符號(hào)數(shù)。根據(jù)oo和mmm來(lái)計(jì)算內(nèi)存地址的過(guò)程如下。

　　圖 37 計(jì)算內(nèi)存地址

　　rrr字段的實(shí)現(xiàn)。當(dāng)w為1時(shí)，rrr對(duì)應(yīng)的是16位寄存器，可直接映射到MIPS寄存器的索引值。當(dāng)w為0時(shí)，rrr對(duì)應(yīng)的是8位寄存器，需要對(duì)其重新標(biāo)號(hào)，將AL作為0開(kāi)始標(biāo)號(hào)。代碼實(shí)現(xiàn)中，寄存器對(duì)應(yīng)的宏如下，其中包含了段寄存器。

　　#define _X86_AL 0

　　#define _X86_CL 1

　　#define _X86_DL 2

　　#define _X86_BL 3

　　#define _X86_AH 4

　　#define _X86_CH 5

　　#define _X86_DH 6

　　#define _X86_BH 7

　　#define _X86_AX _MIPS_S0 // 0 16

　　#define _X86_CX _MIPS_S1 // 1 17

　　#define _X86_DX _MIPS_S2 // 2 18

　　#define _X86_BX _MIPS_S3 // 3 19

　　#define _X86_SP _MIPS_S4 // 4 20

　　#define _X86_BP _MIPS_S5 // 5 21

　　#define _X86_SI _MIPS_S6 // 6 22

　　#define _X86_DI _MIPS_S7 // 7 23

　　#define _X86_CS _MIPS_T4 // 8 12

　　#define _X86_DS _MIPS_T5 // 9 13

　　#define _X86_ES _MIPS_T6 // 10 14

　　#define _X86_SS _MIPS_T7 // 11 15

　　#define _X86_IP _MIPS_T8 // 12 24

　　8086二進(jìn)制機(jī)器碼的主要字段已解析，還有個(gè)別字段。

　　Table 6 其他字段

　　翻譯時(shí)將二進(jìn)制機(jī)器碼拆分成各個(gè)字段，然后根據(jù)其語(yǔ)義生成對(duì)應(yīng)的MIPS指令。一條8086指令一般要翻譯成多條MIPS指令，其中一條為核心指令，其余為輔助指令。如加法指令中，將內(nèi)容移出至輔助寄存器都是輔助指令，最終的加法是核心指令。一般，核心指令對(duì)應(yīng)MIPS的一條指令，因此，可將其抽象出來(lái)，實(shí)現(xiàn)函數(shù)如下。

　　/**

　　* x86運(yùn)算與mips對(duì)應(yīng)關(guān)系

　　*/

　　int _keyGenerate(int type, int rt, int rd, int **target) {

　　int instruction;

　　switch (type) {

　　case _X86_ADD0:

　　instruction = _gen_add(rd, rt, rd);

　　break;

　　case _X86_AND0:

　　instruction = _gen_and(rd, rt, rd);

　　break;

　　case _X86_OR0:

　　instruction = _gen_or(rd, rt, rd);

　　break;

　　case _X86_SUB0:

　　instruction = _gen_sub(rd, rt, rd);

　　break;

　　case _X86_XOR0:

　　instruction = _gen_xor(rd, rt, rd);

　　break;

　　case _X86_MOV3:

　　instruction = _gen_add(rt, _MIPS_ZERO, rd);

　　break;

　　case _X86_CMP0:

　　instruction = _gen_sub(rd, rt, _MIPS_ZERO);

　　break;

　　default:

　　break;

　　}

　　*(*target)++ = instruction;

　　return instruction;

　　}