- 80C51虚拟指令执行系统的设计与实现

3)PC寄存器的虚拟和访问

80C51的程序计数器PC是一个16位寄存器，在指令执行过程中被CPU改变。PC寄存器对用户是透明的，也即PC寄存器没有映射到存储器的地址空间中，不能借助虚拟存储器的读写接口来访问PC，需要单独虚拟一个16位的PC寄存器，并且提供读写的接口：

3 虚拟指令执行器的设计与实现

一般地，CPU总是不停的取指令、分析指令、执行指令，虚拟指令执行器执行同样的过程，它以模拟上述三个阶段的操作为核心，并模拟出80C51指令系统中每条指令的执行效果。图4给出了虚拟指令执行器的总体设计。

可以看出，虚拟指令执行器的工作流程分为三个阶段：取指令阶段、分析指令阶段和执行指令阶段。

3．1 取指令阶段

虚拟的指令执行系统每一周期根据PC的值从虚拟的ROM中取将要执行的指令。在虚拟指令执行器执行指令之前，必须将硬盘上的二进制文件(hex文件格式)加载到虚拟的ROM中，作为指令执行器的输入。装载的过程按照如下描述完成：解析二进制文件的内容，将指令存放在指定的ROM地址处。加载完成后还需要将PC寄存器的值设置为第一条要执行的指令的地址。

虚拟的指令执行系统每次取的指令长度是不确定的。80C51的指令长度不是固定的，分为单字节、双字节和三字节指令三种，因此取一条指令时需要确定该条指令的长度。通过分析80C51的指令表可以得到，任何一条指令第一个字节都是唯一的。利用这个特点，可以建一个该字节到指令长度的映射表。取指令时，先从PC所指地址处取第一个字节，然后通过查询映射表再取相应的字节数。取指成功后需要更新PC值，使PC就指向下条指令的地址。
为了后续两个阶段的使用，需要将取到的指令存放在一个缓冲区中。80C51的最长指令为3个字节，因此可以使用一个3个字节长度的数组存放取到的指令，比如unsigned char inst，将取到的指令按顺序填充到inst中。

3．2 分析指令阶段

一条指令包括操作码和操作数，操作码决定该条指令对操作数执行什么样的动作。分析指令阶段需要从取到的指令中解析出操作码和操作数。解析的过程为，假设指令已经取到inst中，从虚拟指令执行器的角度可以认为指令的第一个字节为操作码，即inst[0]，操作数分别存在inst[1]和inst[2]中，根据操作码到指令长度的映射表确定操作数的个数。

解析出指令码和操作数后，就需要根据操作码来调用该指令对应的执行函数。每条指令都有自己的执行动作，可以为每条指令设计一个执行函数来模拟该指令的执行动作。指令操作码和指令执行函数也是一一对应的，所以虚拟系统中会有指令操作码到指令执行函数的映射表，当分析出指令的操作码后，就能快速地调用该指令的执行函数来模拟该指令的语义动作。比如，取到的指令为e580，按照前面所述，0xe5为操作码，存放在inst[0]中，0x80为操作数，存放在inst[1]中，通查指令表可知0xe5对应的汇编指令为MOV A，direct，为这条指令设计一个执行函数mov_a_direct0，虚拟的指令执行系统在执行指令e580时，实际上就是调用其执行函数mov_a_direct 0。

3．3 执行指令阶段

指令的执行动作是通过调用指令的执行函数来完成的。指令的执行函数是对该条指令的实际执行动作的模拟，主要包括对寄存器、内存的访问，以及对程序状态字中标志位的影响等。比如上面介绍的操作码为0xe5的指令，该指令对应的汇编指令为MOV A，direct，其意义为将direct中的内存数存放在寄存器A中，并且改变PSW中的P标志位，该指令的执行函数mov_a_direct 0实际上就是对上面描述的实现。

80C51指令系统共有111条指令，虚拟指令执行器为每条指令都设计一个类似的执行函数。这些指令可以分为几类：数据传送指令、算术运算指令、逻辑运算和移位指令、控制转移指令和位操作指令。在设计执行函数时有一些需要注意的地方：算术运算指令需要注意运算对PSW的标志位的影响，控制转移指令需要精确改变PC寄存器的值等。

4 结束语

本文详细介绍了虚拟80C51指令执行系统的设计与实现，文章给出的方法也适用于存储空间和指令规模与80C51相似的单片机指令系统。虚拟指令执行系统是虚拟目标机其他功能的基础，有广泛的应用，比如可以构造出基于虚拟指令执行系统的目标机代码调试器等。另外根据应用需要．也可增加对80C51单片机的虚拟范围，比如实现对中断和I／O等的虚拟。