虛擬80C51寄存器 - 80C51虛擬指令執(zhí)行系統(tǒng)的設(shè)計

　　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(shù)器(PC)，虛擬系統(tǒng)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：

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　　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(zhí)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(nèi)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。

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　　3)PC寄存器的虛擬和訪問

　　80C51的程序計數(shù)器PC是一個16位寄存器，在指令執(zhí)行過程中被CPU改變。PC寄存器對用戶是透明的，也即PC寄存器沒有映射到存儲器的地址空間中，不能借助虛擬存儲器的讀寫接口來訪問PC，需要單獨虛擬一個16位的PC寄存器，并且提供讀寫的接口：

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　　3 虛擬指令執(zhí)行器的設(shè)計與實現(xiàn)

　　一般地，CPU總是不停的取指令、分析指令、執(zhí)行指令，虛擬指令執(zhí)行器執(zhí)行同樣的過程，它以模擬上述三個階段的操作為核心，并模擬出80C51指令系統(tǒng)中每條指令的執(zhí)行效果。圖4給出了虛擬指令執(zhí)行器的總體設(shè)計。

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　　可以看出，虛擬指令執(zhí)行器的工作流程分為三個階段：取指令階段、分析指令階段和執(zhí)行指令階段。

　　3.1 取指令階段

　　虛擬的指令執(zhí)行系統(tǒng)每一周期根據(jù)PC的值從虛擬的ROM中取將要執(zhí)行的指令。在虛擬指令執(zhí)行器執(zhí)行指令之前，必須將硬盤上的二進制文件(hex文件格式)加載到虛擬的ROM中，作為指令執(zhí)行器的輸入。裝載的過程按照如下描述完成：解析二進制文件的內(nèi)容，將指令存放在指定的ROM地址處。加載完成后還需要將PC寄存器的值設(shè)置為第一條要執(zhí)行的指令的地址。

　　虛擬的指令執(zhí)行系統(tǒng)每次取的指令長度是不確定的。80C51的指令長度不是固定的，分為單字節(jié)、雙字節(jié)和三字節(jié)指令三種，因此取一條指令時需要確定該條指令的長度。通過分析80C51的指令表可以得到，任何一條指令第一個字節(jié)都是唯一的。利用這個特點，可以建一個該字節(jié)到指令長度的映射表。取指令時，先從PC所指地址處取第一個字節(jié)，然后通過查詢映射表再取相應(yīng)的字節(jié)數(shù)。取指成功后需要更新PC值，使PC就指向下條指令的地址。

　　為了后續(xù)兩個階段的使用，需要將取到的指令存放在一個緩沖區(qū)中。80C51的最長指令為3個字節(jié)，因此可以使用一個3個字節(jié)長度的數(shù)組存放取到的指令，比如unsigned char inst，將取到的指令按順序填充到inst中。