80C51虛擬指令執(zhí)行系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

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。
3．2 分析指令階段
一條指令包括操作碼和操作數(shù)，操作碼決定該條指令對操作數(shù)執(zhí)行什么樣的動作。分析指令階段需要從取到的指令中解析出操作碼和操作數(shù)。解析的過程為，假設(shè)指令已經(jīng)取到inst中，從虛擬指令執(zhí)行器的角度可以認為指令的第一個字節(jié)為操作碼，即inst[0]，操作數(shù)分別存在inst[1]和inst[2]中，根據(jù)操作碼到指令長度的映射表確定操作數(shù)的個數(shù)。
解析出指令碼和操作數(shù)后，就需要根據(jù)操作碼來調(diào)用該指令對應(yīng)的執(zhí)行函數(shù)。每條指令都有自己的執(zhí)行動作，可以為每條指令設(shè)計一個執(zhí)行函數(shù)來模擬該指令的執(zhí)行動作。指令操作碼和指令執(zhí)行函數(shù)也是一一對應(yīng)的，所以虛擬系統(tǒng)中會有指令操作碼到指令執(zhí)行函數(shù)的映射表，當(dāng)分析出指令的操作碼后，就能快速地調(diào)用該指令的執(zhí)行函數(shù)來模擬該指令的語義動作。比如，取到的指令為e580，按照前面所述，0xe5為操作碼，存放在inst[0]中，0x80為操作數(shù)，存放在inst[1]中，通查指令表可知0xe5對應(yīng)的匯編指令為MOV A，direct，為這條指令設(shè)計一個執(zhí)行函數(shù)mov_a_direct0，虛擬的指令執(zhí)行系統(tǒng)在執(zhí)行指令e580時，實際上就是調(diào)用其執(zhí)行函數(shù)mov_a_direct 0。
3．3 執(zhí)行指令階段
指令的執(zhí)行動作是通過調(diào)用指令的執(zhí)行函數(shù)來完成的。指令的執(zhí)行函數(shù)是對該條指令的實際執(zhí)行動作的模擬，主要包括對寄存器、內(nèi)存的訪問，以及對程序狀態(tài)字中標(biāo)志位的影響等。比如上面介紹的操作碼為0xe5的指令，該指令對應(yīng)的匯編指令為MOV A，direct，其意義為將direct中的內(nèi)存數(shù)存放在寄存器A中，并且改變PSW中的P標(biāo)志位，該指令的執(zhí)行函數(shù)mov_a_direct 0實際上就是對上面描述的實現(xiàn)。


80C51指令系統(tǒng)共有111條指令，虛擬指令執(zhí)行器為每條指令都設(shè)計一個類似的執(zhí)行函數(shù)。這些指令可以分為幾類：數(shù)據(jù)傳送指令、算術(shù)運算指令、邏輯運算和移位指令、控制轉(zhuǎn)移指令和位操作指令。在設(shè)計執(zhí)行函數(shù)時有一些需要注意的地方：算術(shù)運算指令需要注意運算對PSW的標(biāo)志位的影響，控制轉(zhuǎn)移指令需要精確改變PC寄存器的值等。

4 結(jié)束語
本文詳細介紹了虛擬80C51指令執(zhí)行系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，文章給出的方法也適用于存儲空間和指令規(guī)模與80C51相似的單片機指令系統(tǒng)。虛擬指令執(zhí)行系統(tǒng)是虛擬目標(biāo)機其他功能的基礎(chǔ)，有廣泛的應(yīng)用，比如可以構(gòu)造出基于虛擬指令執(zhí)行系統(tǒng)的目標(biāo)機代碼調(diào)試器等。另外根據(jù)應(yīng)用需要．也可增加對80C51單片機的虛擬范圍，比如實現(xiàn)對中斷和I／O等的虛擬。