基于QEMU的龙芯3A处理器数字化设计与实现

摘要

龙芯3A处理器是中科院自主研发的国产处理器，而且其稳定性和可靠性能都比较好，所以在军工领域采用龙芯处理器提高了安全性。随着计算机的不断发展，虚拟化技术得到普遍的推广，虚拟化软件平台也不断涌现。本论文主要选用当今比较主流的虚拟化软件平台QEMU，通过对开源的QEMU虚拟机运行机制的研究，完成龙芯3A处理器的虚拟化实现。并通过C语言脚本解释器，完成虚拟机的属性配置。通过硬件的虚拟化，使飞控机载软件可以脱离对硬件交付的依赖以及开发过程中硬件设计修改带来时间的大量耗费，通过对模型的简单配置，就可以在该仿真平台上提前进行软件开发、调试和测试等工作。本论文主要进行以下方面的研究： 1、对 QEMU 虚拟机的基本架构和运行机制进行研究，研究处理器虚拟化实现的整个流程。 2、根据龙芯 3A 处理器用户手册，了解龙芯 3A 处理器的架构和性能。依据动态二进制翻译机制完成龙芯3A处理器的指令集系统和寄存器的虚拟化实现。 3、为了加快指令的翻译速度，提高处理器的运行性能，本论文对动态二进制翻译机制进行深入地研究，通过冗余代码消除的方法，实现指令翻译过程中的优化。 4、对硬件断点进行研究，并基于动态二进制翻译机制的硬件断点匹配算法，实现龙芯3A虚拟机与飞控软件开发环境联合调试过程中的硬件断点的功能。 5、为了跟踪龙芯3A处理器运行状态，了解其内部的变化，运用GDB作为调试工具。由于GDB对QEMU虚拟机进行调试的时候，还要实现GDB与QEMU虚拟机的通信和功能函数的实现，因此本论文还要实现GDB的移植工作。 6、运用 GDB 进行调试，验证处理器的功能是否满足硬件的要求。并对指令的运行速度进行测试，是否符合要求的性能指标。最终移植操作系统，测试处理器功能的完备性。 运用QEMU虚拟机对龙芯3A处理器进行虚拟化实现，使其模仿真实硬件的功能，最终可以使飞控机载软件运行在龙芯3A虚拟机上。在虚拟机上实现硬件断点的功能，从而使虚拟飞控计算机可以与飞控软件开发环境进行联合调试的功能。

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摘 要

ABSTRACT

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第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.3 研究内容及意义

1.4 论文的组织架构

第二章 需求分析与系统总体方案设计

2.1 龙芯3A处理器需求分析

2.1.1 龙芯3A处理器虚拟化实现的功能需求

2.1.2 龙芯3A处理器虚拟化实现的性能需求

2.2 龙芯3A处理器虚拟化实现总体方案设计

2.2.1 嵌入式虚拟化软件平台的选取

2.2.2 中间层的设计

2.2.3 底层虚拟机的设计

2.2.4 龙芯3A处理器虚拟化实现系统总体方案设计

2.3 本章小节

第三章 处理器虚拟化实现相关技术介绍与关键技术研究

3.1 QEMU虚拟化技术介绍

3.1.1 QEMU虚拟机运行机制介绍

3.1.2 QEMU虚拟机中重要结构体介绍

3.1.3 动态二进制翻译机制介绍

3.2 GDB相关技术介绍

3.2.1 GDB系统架构

3.2.2 RSP通信协议

3.2.3 命令处理机制

3.3 基于动态二进制翻译机制的硬件断点匹配技术研究

3.4 动态二进制翻译机制优化研究

3.5 本章小结

第四章 龙芯3A处理器的虚拟化设计实现

4.1 龙芯3A处理器虚拟化实现

4.1.1 龙芯3A处理器指令集的虚拟化实现

4.1.2 龙芯3A处理器寄存器的虚拟化实现

4.2 基于动态二进制翻译机制的硬件断点的虚拟化实现

4.3 调试工具GDB的移植

4.3.1 宿主机上GDB的设计实现

4.3.2 调试代理GDBserver相关命令的移植

4.3.3 RSP协议的设计实现

4.4 本章小结

第五章 龙芯3A处理器虚拟化实现的测试验证

5.1 测试开发环境的搭建

5.2 龙芯3A处理器指令集和寄存器的测试验证

5.3 龙芯3A处理器性能的测试验证

5.4 基于动态二进制翻译机制的硬件断点的测试验证

5.5 GDB测试验证

5.6 加载机载软件测试

5.7 本章小结

第六章 总结和展望

6.1 全文总结

6.2 后续工作展望

致谢

参考文献