1 虚拟机原理
虚拟机用软件模拟指令在硬件机器中执行的全过程，即先从磁盘中读取字节码文件，存储到虚拟机开辟的内存段中，再将指令加载到虚拟机寄存器并予以执行。它并不是指某个特定的软件，而是一整套完整的规范，可以用不同的程序设计语言在不同的硬件平台上实现[3]。不论是硬件机器还是虚拟机系统，只要遵循相同的规范，即可运行遵循该规范的可执行代码。下面将从处理器引擎、内存管理、任务管理和输入输出4个方面分别讨论ARM虚拟机的实现规范。
1.1 处理器引擎
　　 根据运算数据交换平台的不同，主要有基于堆栈的处理器和基于寄存器的处理器两种引擎。前者在运行时对系统资源的消耗要远小于后者，但堆栈将会延伸到内存；后者的计算处理则全部在芯片内部的寄存器上完成，因此后者的处理速度要远远高于前者。由于基于堆栈的处理器已经退出主流的行列，ARM虚拟机将采用基于寄存器的执行引擎来模拟具体硬件实现，并在ARM虚拟机中构建堆栈，从而继承堆栈在处理函数调用和递归等问题上的优势。虚拟寄存器是系统的核心，ARM虚拟机通过寄存器之间的运算来执行字节码指令。作为处理器中的数据存储单元，各类寄存器均有不同用途，例如通用寄存器用来存储和转换数据和地址，指针寄存器指向堆栈段的栈顶位置，段寄存器则标识出代码段、数据段和堆栈段之间的界限。
1.2 内存管理
程序指令和数据在内存中的存储方式有两种：降序(big-endian)和升序(little-endian)。降序是指数据的高位字节存放在内存中的低位地址中；升序则相反，是指数据的低位字节存放在内存中的低位地址中。内存管理负责内存的分配和回收问题，主要有显式内存管理法 EMM(Explicit Memory Management)和自动内存管理法AMM(Automatic Memory Management)两种方法[4]。其中，前者由程序员人工完成内存的分配和回收工作，例如C语言用malloc()调用来实现分配一段内存空间，用free()函数来释放不再使用的内存。后者则由程序员完成内存的分配，由系统负责自动回收，例如Java语言对于已分配的内存，由内存管理根据其作用域完成与否决定是否收回该段内存。一般来说，显示内存管理法要比自动内存管理法的速度要快，内存分配算法相对简单。
1.3 任务管理
　　现代计算机使用多任务技术[5]，即多个任务共享同一处理器。该技术主要依靠队列和堆栈，为排队等候的每个任务分配一段时间，并在系统中建立一张进程表，记录每一个进程的状态。相应的状态有3种：正在执行、被挂起和阻塞。通常采用抢占式多任务技术，即由操作系统决定进程间的切换。例如在著名的时间片轮转(round-robin)算法里，每个进程所分配的执行时间的长度是固定的，进程调度不停地依次遍历整个进程表，让每个进程都有机会占用同样长度的处理器时间。
1.4 输入/输出
　　虚拟机依托于宿主平台，因此输入/输出功能的实现相对较简单，在系统调用层基础上的标准输入/输出函数即可胜任。运算速度有所限制，但无须接触机器级的中断调用和输入/输出操作。
2 32位ARM虚拟机的设计
　　32位处理器的地址空间仅能支持4 GB，ARM虚拟机采用32位地址空间技术，在Win32位平台上开辟一个4 B的空间来表示32位整型，并涉及一组虚拟寄存器、一段虚拟内存空间和一个类ARM9的指令集，分别对应于需要仿真的机器部件。在32位地址空间的基础上，采用寄存器引擎、显示内存管理法、抢占式多任务技术等基本工作机制，构建虚拟机软件的基本结构。

2.1 虚拟寄存器
　 　ARM虚拟机共有37个寄存器，包括31个32位的通用寄存器(包括程序计数器PC在内)，6个32位的状态寄存器[6]。ARM处理器共有7种不同的处理模式，在每一处理器模式中有一组相应的寄存器组。在任意的处理器模式下，可见的寄存器包括15个通用寄存器(R0～R14)，一个或两个状态寄存器及程序计数器(PC)。在所有的寄存器中，有些是各模式共用同一个物理寄存器，有一些寄存器是各模式自己拥有的独立的物理寄存器。表1列出了各处理器模式下可见的寄存器情况。
2.2 虚拟的MMU的设计和管理
　　在ARM虚拟机设计中，通过C++的vector来开辟一块连续的内存地址作为虚拟内存空间，存储程序的字节码指令。由于在32位机器上无法提供这么多的物理内存，因此ARM虚拟机采用先预读后分配的原则来开辟虚拟内存，即先对字节码文件的大小进行预读，根据其大小再从物理内存中分配足够的内存作为虚拟内存，如果剩余的物理内存无法满足需要，则退出该次分配。由于当前主流硬件平台(如Intel公司的系列处理器)均采用降序方式，在ELF文件的加载过程中无须改变数据存储方式，因此在ARM虚拟机的设计中使用降序方式，提高了虚拟机的执行效率，同时保证了设计的通用性和简单性。另外，在内存的管理和回收方面，采用显式内存管理法，从而确保虚拟机的运行速度、内存分配的灵活性和对程序的控制权。
2.3 虚拟机基本结构
图4是ARM虚拟机的总体结构，由以下模块组成：

　　指令集功能仿真模块和系统调用仿真模块都属于功能仿真模块，前者按序仿真每条指令(现在不包含时序模拟)，其主要用于性能模拟器执行结果正确性验证；后者采用宿主机代理方式仿真系统调用处理过程[7]。
　　 流水线模块、功能部件模块、寄存器模块和分支预测模块共同组成了性能模拟器内核，为ARM虚拟机的主要组成部分。其中，流水线模块包含所有和流水线相关的数据结构和处理函数；功能部件和寄存器模块用于建模功能部件和ARM寄存器组；分支预测模块用于建模分支预测器。
　　 Cache模块、TLB模块、总线逻辑和MMU模块共同组成了存储器层次模块组，其模拟了一个ARM存储器的行为过程。
　　ELF文件加载器模块、数据收集统计模块、参数处理模块和调试器模块为ARM虚拟机的辅助模块，ELF文件加载器模块用于将可执行文件加载到模拟器内存中；数据收集统计模块用于收集统计模拟器各项状态数据，如指令执行条数；参数处理模块用于处理命令行参数；调试器模块用于调试用户程序。
检验模块用于验证性能模拟器的正确性，它通过将每条指令的性能模拟结果并与其功能仿真结果进行比较，就可以判断出指令是否被正确执行，然后可以根据用户要求采取不同的操作。
3 ARM虚拟机的工作流程
3.1 基本流程
　　ARM虚拟机从读入ELF文件到执行完毕的全过程，算是一个生命周期。该周期按功能不同，可分为5个阶段：(1)启动虚拟机，并处理命令行输入；(2)初始化虚拟机运行环境；(3)调入并加载文件；(4)格式化内存存储方式；(5)执行指令。其中，第(2)和(5)阶段是整个程序运行的核心，完成了虚拟机的初始化和执行ELF文件中分析出的代码段指令的主要工作。
3.2 初始化虚拟机
　　阶段(1)通过对命令行的处理，获取字ELF文件的信息。该信息通过ELF文件加载器得到程序代码段、数据段、堆栈段的信息传递到阶段(2)初始化虚拟机的InitVM函数中。其中数据段和堆栈段的缺省长度均为64 KB，而代码段的长度为ELF文件中代码指令所占用的实际长度。
　　InitVM函数的执行流程是：(1)函数从文件头中提取必要的信息后，立即检查字节码长度，将其与数据段和堆栈段的长度之和与宿主机的可用内存比较。如果可用内存不够，则报错并退出虚拟机；否则宿主机将分配一段大小为三者之和的内存给虚拟机。(2)将段寄存器分别设置成为相应段的值。(3)将ELF代码加载到内存空间的代码段。具体算法如下：
If (ELF文件大小为零或文件打开错误)
　　{记录并打印错误，并直接返回 }
If (代码段、数据段和堆栈段的长度之和 > 宿主机的可用内存)
　　 {记录并打印错误，并直接返回 }
分配内存 R＝malloc(代码段、数据段和堆栈段的长度之和)；
　　初始化寄存器；
　　 重新返回ELF文件的代码段部分，调用fseek()定位代码段部分的位置；
读取代码段部分，并将其加载入所开辟的内存代码段中。
　　如果上述过程顺利执行，所获取的虚拟机内存地址空间如图5所示。

3.3 执行代码段
　　 run()函数是ARM虚拟机的指令执行引擎，负责完成代码段指令的执行工作。该函数将字节码指令从虚拟地址0处开始逐条执行，当遇到HALT指令或发生错误时停止。指针寄存器IP始终指向下一条所需执行的指令。参照基于寄存器的处理器的设计方法，第(5)阶段指令执行过程的算法如下(其中，CPSR表示指令指针寄存器值；CPSR中表示内存地址为CPSR所存值的地址处的指令)：
void run()
{
while(内存地址为CPSR不等于中止指令HALT)
{
　　　switch(内存地址为CPSR的指令)
　　　{
　　　　 case MOV:{…；}break；
…各种指令的具体执行；
　　　　 default：{ERROR；}break；
}
将指令指针CPSR指向下一条指令；
　}
}
ARM指令按照指令功能的不同来分，包括数据处理指令(如MOV、MVN、CMP)、内存访问指令(如LDR、STR)、内存批访问指令、跳转指令(如B、BL)、访问状态寄存器指令(如MRS)、软中断指令等。
指令模拟执行过程如图6所示。

3.4 流水线的实现
　　ARM9采用哈佛结构的设计[8]，采用5级流水线，其功能分别描述如下：
(1)取指。从存储器(CACHE/Memory)取出指令，并将其放入指令流水线。
(2)译码。指令译码，从寄存器堆中读取寄存器操作数。在寄存器堆中有3个操作数读端口，大多数ARM指令能在一个周期内读取其操作数。
(3)执行。一个操作数移位，产生ALU的结果，如果指令是LOAD或STORE，则在ALU中计算存储地址。
(4)缓冲/数据访存。如果需要，则访问数据存储器；否则，ALU只是简单的缓冲一个时钟周期，以便所有的指令具有同样的流水线流程。
(5)回写。将指令产生的结果回写(Write back)至寄存器堆，包括任何从存储器中读取的数据。
采用多线程模拟5级流水线的执行过程如图7所示。

ARM指令的实现方式(单线程和多线程)，如表2所示，在ARM虚拟机运行ARMlinux，记录了10次两种方式的起始时间，计算平均值。

从表2中可以看出，多线程的方法对指令流水线模拟的性能有很大改进。
　　本文主要采用显式内存管理、代码段的解析、基于寄存器的机器引擎，多线程等关键技术，在以Win32为宿主平台的基础上，设计并实现了基于多线程的ARM虚拟机系统，能够在32位的内存地址空间和虚拟寄存器上执行指令，为模拟ARM处理器的仿真环境做出了有益的尝试。今后将进一步完善ARM嵌入式系统模拟的设计，充分发挥虚拟机在嵌入式开发方面的优势。

参考文献
[1] 李林华，盛浩，马世龙.基于寄存器引擎的64位虚拟机的实现[J].计算机工程，2005，31(2)：91-93.
[2] 刘洪浩.虚拟化，热潮不等于机会[J].程序员2007年精华本，2007.
[3] BLUNDEN B. Virtual Machine Design and Implementation in C/C++[M]. Wordware Publishing， 2002.
[4] JONES R， LINES R. Garbage Collection： Algorithms for Automatic Dynamic Memory Management[M]. John Wiley & Sons，1996.
[5] TANENBAUM A S， WOODHULL A S. Operating System: Design and Implementation[M]. Prentice Hall， 1997.
[6] 杜春雷.ARM体系结构与编程[M].北京:清华大学出版社，2003.
[7] 万寒，高小鹏. Design and Implementation of a Simulation Framework for the ARM Embedded System. IEEE Computer Society，北京：北京大学，2008.
[8] 谭华.嵌入式系统软件仿真器的研究与实现[D].西安：电子科技大学，2006.