開放源碼的嵌入式仿真環(huán)境SkyEye（一）
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關鍵詞：SkyEye 仿真 μClinuxμ/OS-II Linux 嵌入式系統(tǒng)
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(gòu)
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(gòu)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，虛地址直接輸出到物理地址總線。
MMU本身有少量存儲空間存放從虛擬地址到物理地址的匹配表，此表稱作TLB（Translation Lookaside Buffers）。TLB表中保存的是虛地址及其對應的物理地址、權(quán)限、域和映射類型。當CPU對一虛擬地址進行存取時，首先搜索TLB表以查找對應的物理地址等信息。如果沒有查到，則進行查找Translation Table，稱為TTW（Translation Table Walk）。經(jīng)過TTW后，將查到的信息保存到TLB，然后根據(jù)TLB表項的物理地址進行讀寫。
MMU/Cache的仿真主要是依據(jù)ARM720T處理器的體系結(jié)構(gòu)進行的。ARM720T可以看成ARM7TDMI加上MMU/Cache模塊，主要是仿真控制MMU/Cache的寄存器結(jié)構(gòu)、TLB結(jié)構(gòu)、Cache結(jié)構(gòu)、Translation Table Walk的控制邏輯以及在此基礎上內(nèi)存的讀取操作。
對于網(wǎng)絡部分，SkyEye仿真的是兼容NE2000的8019as以太網(wǎng)網(wǎng)絡芯片，支持8位數(shù)據(jù)通路，仿真實現(xiàn)了遠程DMA信道和本地DMA信道兩個部分。本地DMA完成控制器與仿真網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)交換，主處理器（Host）收發(fā)數(shù)據(jù)只需對遠程DMA操作。當主處理器要向以太網(wǎng)絡發(fā)送數(shù)據(jù)時，先將一幀（frame）數(shù)據(jù)經(jīng)過遠程DMA信道，送到以太網(wǎng)絡控制器中發(fā)送緩存（Ring Buffer），然后發(fā)出傳送命令。以太網(wǎng)絡控制器在送出前一幀的數(shù)據(jù)后，繼布完成此幀的發(fā)送。以太網(wǎng)絡控制器接收到的數(shù)據(jù)通過MAC比較后，由FIFO存到接收緩沖區(qū)，收滿1幀后，以中斷或緩存器標志的方式通知主處理器。
為了有效支持網(wǎng)絡仿真，SkyEye還設計了一個虛擬HUB-vnet，可以在一臺Host主機上支持多個在SkyEye上運行的OS實例進行網(wǎng)絡的通信互聯(lián)，從而更有助于針對網(wǎng)絡方面的開發(fā)和研究。
3 SkyEye上已經(jīng)移植成功的OS
3.1 μClinux
μClinux是應用于嵌入式設備的一個Linux版本，是主要針對不帶MMU的CPU而設計的Linux系統(tǒng)。ΜClinux系統(tǒng)對于內(nèi)存的訪問地址都是實際的物理地址。操作系統(tǒng)對內(nèi)存空間沒有保護（這實際上是很多嵌入式系統(tǒng)的特點），各個進程實際上共享一個運行空間（沒有獨立的地址轉(zhuǎn)換表）。目前，SkyEye上可以運行μClinux的2003年最新版本。
3.2 μC/OS-II
SkyEye作為一個基于Atmel AT91X40開發(fā)板的仿真環(huán)境，在它上面可以移植各種適合地嵌入式開發(fā)應用的操作系統(tǒng)，將μC/OS-II移植琶SkyEye上是我們對此做的又一次嘗試。ΜC/OS-II是一個簡單、高效的嵌入式實時操作系統(tǒng)內(nèi)核。自從1992年以來，已經(jīng)被應用到各種嵌入式系統(tǒng)中。目前，它可以支持x86、ARM、PowerPC、MIPS等眾多體系結(jié)構(gòu)，并有上百個商業(yè)應用式系統(tǒng)中。目前，它可以支持x86、ARM、PowerPC、MIPS等眾多體系結(jié)構(gòu)，并有上百個商業(yè)應用實例，其穩(wěn)定性和可用性是經(jīng)過實踐驗證的。同時，它的源代碼公開，任何人都可以從www.ucos-ii.com的網(wǎng)站上獲得全部源碼以及其在各種體系結(jié)構(gòu)平臺上的移植范例。無論是通常學習μC/OS-II來了解實時操作系統(tǒng)的構(gòu)造，還是直接使用它來針對具體應用進行開發(fā)，都是非常方便和可行的。目前，SkyEye支持的μC/OS-II內(nèi)核為2.5.1版。
3.3 ARM Linux
ARM Linux屬于Linux標準發(fā)行內(nèi)核中的一個分支，支持MMU的ARM系列CPU，如ARM720T、ARM920T、Intel StrongARM等。我們目前在SkyEye上仿真的CPU型號為CPU內(nèi)核是ARM Linux內(nèi)核選擇的本系結(jié)構(gòu)為CLPS711x/EP72lx，它支持ARM20T、UART串口等硬件，都是SkyEye目前仿真的硬件。目前SkyEye已經(jīng)成功運行了版本為2.4.18的ARM Linux。有關ARM Linux的更多信息請訪問http://www.arm.linux.org.uk/。
4 SkyEye目前支持的網(wǎng)絡協(xié)議棧
4.1 μCLinux上的TCP/IP
μClinux上面有完整的TCP/IP協(xié)議棧，但缺少對SkyEye的網(wǎng)絡仿真芯片（仿真兼容NE2000的8019as）的驅(qū)動程序。我們實現(xiàn)的驅(qū)動程序主要包括了初始化、中斷處理、接收數(shù)據(jù)包的處理、發(fā)送數(shù)據(jù)包的處理等工作，再加上SkyEye的虛擬HUB-vet的協(xié)議，使μClinux on SkyEye的多個實例之間、實例與主機之間可以進行TCP/IP通信。
4.2 μC/OS-II上的LwIP
μC/OS-II本身沒有TCP/IP協(xié)議棧，目前的一些第三方TCP/IP支持都是完全商業(yè)化的，很少給出源代碼，影響了μC/OS-II的研究和推廣。通過把開放源代碼的TCP/IP協(xié)議棧LwIP移植到μC/OS-Ii上來，就獲得了一套可免費研究、學習的嵌入式網(wǎng)絡軟件平臺。其系統(tǒng)示意圖如圖1所示。
LwIP是瑞士計算機科學院（Swedish Institute of Computer Science）的Adam Dunkels等開發(fā)的一套用于嵌入式系統(tǒng)的開放源代碼TCP/IP協(xié)議棧。LwIP的含義是Light Weight(輕型)IP協(xié)議。LwIP可以移植到操作系統(tǒng)上，也可以在無操作系統(tǒng)的情況下獨立運行。我們目前使用的是LwIP的最新穩(wěn)定版V0.5.3。
LwIP協(xié)議棧在設計時就考慮到了將來的移植問題，因此把所有與硬件、OS、編譯器相關的部分獨立出來，放在/src/arch目錄下。因此，LwIP在μC/OS-II上的實現(xiàn)就是修改這個目錄下的文件，其它的文件一般不應該修改。
我們在SkyEye中所仿真的網(wǎng)絡芯片是NE2000，所以目前實現(xiàn)的網(wǎng)絡設備驅(qū)動是針對NE2000的，其它類型的網(wǎng)絡芯片驅(qū)動可以在LwIP的網(wǎng)站上找到?，F(xiàn)在LwIP已經(jīng)順利運行在μC/OS-II上了，目前可以從Host主機和SkyEye上運行的μC/OS-II+LwIP順利進行TCP/IP的通信。
4.3 更多的TCP/IP協(xié)議棧
除了LwIP之外，還有很多開源的嵌入式TCP/IP協(xié)議棧。它們各有各的特點，有些功能較全面，有些占用資源出奇的少，能適合不同場合的需要，而且多接觸一些不同的思路，對協(xié)議和編碼能有更好的理解。其中的代表有tinyTCP、ucIP、uIP等，它們的基本思路應該都是一致的。SkyEye小組希望能有列多對TCP/IP協(xié)議棧感興趣的人參與進來，特別是ucIP，實際上它是專門為μC/OS-II設計的。
5 SkyEye上已經(jīng)實現(xiàn)的簡單應用
5.1 LwIP上的Echo服務器
做完LwIP的移植修改工作以后，就可以在μC/OS-II中初始化LwIP，并創(chuàng)建TCP或UDP任務進行測試了。值得注意的是：LwIP的初始化必須在μC/OS-II完全啟動之后也就是在任務中進行，因為它的初始化用到了信號量等與OS相關的操作。
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