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個開放源碼的嵌入式仿真環境-SkyEye
摘要：綜述開放源碼的嵌入式仿真環境SkyEye：介紹SkyEye的背景、目標和存在的意義，對目前SkyEye本身進行簡要的技術分析；介紹SkyEye上已經移植成功的操作系統和典型應用。講述SkyEye正在開展的工作和將來的發展計劃。1 SkyEye的目標與意義
1.1 SkyEye產生的背景
操作系統是軟件產業的基礎和龍頭，能左右軟件產業發展的方向，是世界軟件產業最大的利潤來源。對于后PC時代和普適計算（pervasive computing）而言，嵌入式系統無處不在，其中關鍵的軟件核心技術包括嵌入式操作系統和網絡互聯中間件等。
對于想進行嵌入式系統軟件開發和學習，或者想研究嵌入式Linux等操作系統和一些底層系統軟件（如TCP/IP等）的研究和開發人員來說，可能存在如下幾方面的問題：①經�？嘤诮涃M不足，缺少足夠的硬件開發板和完善的軟件開發環境；相關的書籍對一些最新軟件的分析還不夠全面，無法深研究和開發嵌入式軟件。②高層次的軟件設計和開發一般不用過多考慮底層硬件的實現細節，如果直接處于一具體的硬件環境下，在開發和研究中可能會陷入硬件的具體細節中不能自拔，而不能把精力放到高層次的軟件設計和開發上。③如果硬件開發環境不太穩定（這種情況經常見到），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、學習一般操作系統的實現原理、Linux/μClinux操作系統或TCP/IP等系統級軟件的實現的人員，目前一般采用的方法是看書和讀源代碼。這是一種靜態的學習方法，但效率較低，比較枯燥，缺少一種動態和親自實踐的感覺。要想深入分析和開發軟件，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平臺實現一個仿真集成開發環境，模擬常見的嵌入式計算機系統；可在SkyEye上運行μClinux以及μC/OS-II等多種嵌入式操作系統和各種系統軟件（如TCP/IP、圖形子系統、文件子系統等），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仿真集成環境可以很方便地進入嵌入式系統軟件學習和開發的廣闊天地中。尤其對于缺少嵌入式硬件開發環境和軟件開發環境的用戶來說，它將是一個非常有效的學習工具和開發手段，因為SkyEye的整個軟件系統都是Open Source的，且基于GPL協議（μC/OS-II除外）。因此，如果要學習Linux操作系統或者進行嵌入式系統開發，但苦于沒有硬件支持，SkyEye仿真環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軟件（如TCP/IP協議棧等），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上進行開發和調試，而與具體硬件打交道的各種Driver已經存在，且有源碼級調試環境，只需關心高層的邏輯設計和實現就可以了。
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。通過參與SkyEye的各個子項目，與大家共同交流、協議，可以進一步學習、分析、精通Linux內核，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試的有μClinux、μC/OS-II操作系統和LwIP（一個著名的嵌入式TCP/IP實現）、ARM Linux等系統軟件。SkyEye可用于學習、分析、開發這些系統軟件，了解ARM嵌入式CPU編程，而這一切都可在一個集成環境中完成。如果能夠改進SkyEye本身，則大家對ARM、8019Ethernet網絡芯片等硬件的了解也會更深入。
SkyEye并不能完全取代開發板等硬件的功能，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提供的各種調試手段對SkyEye仿真系統上的軟件進行源碼級的調試，還可以進行各種分析，如執行點分析、程序執行覆蓋度分析等。由于SkyEye提供了源代碼和相關文檔，有經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總體結構
SkyEye基于GDB/ARMulator，模仿了一個完整的嵌入式系統，目前包括CPU、內存、I/O寄存器、時鐘、UART、網絡芯片、MMU、Cache，將來還會仿真LCD、USB等各種硬件。在SkyEye上運行的操作系統和各種系統軟件“意識”不到它們是在一個虛擬的計算機系統上運行。
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，并把相關調試數據輸出給用戶。
②符號處理模塊：主要處理執行文件的頭信息，解釋執行文件中嵌的debuger調試信息，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：主要完成執行控制（如執行斷程序，設置中斷條件等），程序棧結構分析，對具體目標硬件的控制（如本地調試、遠程調試和仿真調試的控制）。
④目標仿真模塊：主要是模仿計算機系統中的主要硬件（包括CPU、內存和各種硬件外設等）的執行，對執行文件的機器指令進行解釋，并仿真執行每一條機器指令，產生相應的硬件響應。
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內核的。SkyEye還模擬了其它硬件外設，如串口、網絡芯片、內存、時鐘、網絡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，是用來管理虛擬內存系統的操作。MMU的兩具主要功能是：
*將虛地址轉換成物理地址；
*控制存儲器存取允許，MMU關掉時，虛地址直
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