3)PC寄存器的虛擬和訪問

80C51的程序計數器PC是一個16位寄存器，在指令執行過程中被CPU改變。PC寄存器對用戶是透明的，也即PC寄存器沒有映射到存儲器的地址空間中，不能借助虛擬存儲器的讀寫接口來訪問PC，需要單獨虛擬一個16位的PC寄存器，并且提供讀寫的接口：

3 虛擬指令執行器的設計與實現

一般地，CPU總是不停的取指令、分析指令、執行指令，虛擬指令執行器執行同樣的過程，它以模擬上述三個階段的操作為核心，并模擬出80C51指令系統中每條指令的執行效果。圖4給出了虛擬指令執行器的總體設計。

可以看出，虛擬指令執行器的工作流程分為三個階段：取指令階段、分析指令階段和執行指令階段。

3．1 取指令階段

虛擬的指令執行系統每一周期根據PC的值從虛擬的ROM中取將要執行的指令。在虛擬指令執行器執行指令之前，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寄存器的值設置為第一條要執行的指令的地址。

虛擬的指令執行系統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、雙字節和三字節指令三種，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都是唯一的。利用這個特點，可以建一個該字節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，然后通過查詢映射表再取相應的字節數。取指成功后需要更新PC值，使PC就指向下條指令的地址。
為了后續兩個階段的使用，需要將取到的指令存放在一個緩沖區中。80C51的最長指令為3個字節，因此可以使用一個3個字節長度的數組存放取到的指令，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，操作碼決定該條指令對操作數執行什么樣的動作。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。解析的過程為，假設指令已經取到inst中，從虛擬指令執行器的角度可以認為指令的第一個字節為操作碼，即inst[0]，操作數分別存在inst[1]和inst[2]中，根據操作碼到指令長度的映射表確定操作數的個數。

解析出指令碼和操作數后，就需要根據操作碼來調用該指令對應的執行函數。每條指令都有自己的執行動作，可以為每條指令設計一個執行函數來模擬該指令的執行動作。指令操作碼和指令執行函數也是一一對應的，所以虛擬系統中會有指令操作碼到指令執行函數的映射表，當分析出指令的操作碼后，就能快速地調用該指令的執行函數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，存放在inst[1]中，通查指令表可知0xe5對應的匯編指令為MOV A，direct，為這條指令設計一個執行函數mov_a_direct0，虛擬的指令執行系統在執行指令e580時，實際上就是調用其執行函數mov_a_direct 0。

3．3 執行指令階段

指令的執行動作是通過調用指令的執行函數來完成的。指令的執行函數是對該條指令的實際執行動作的模擬，主要包括對寄存器、內存的訪問，以及對程序狀態字中標志位的影響等。比如上面介紹的操作碼為0xe5的指令，該指令對應的匯編指令為MOV A，direct，其意義為將direct中的內存數存放在寄存器A中，并且改變PSW中的P標志位，該指令的執行函數mov_a_direct 0實際上就是對上面描述的實現。

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

4 結束語

本文詳細介紹了虛擬80C51指令執行系統的設計與實現，文章給出的方法也適用于存儲空間和指令規模與80C51相似的單片機指令系統。虛擬指令執行系統是虛擬目標機其他功能的基礎，有廣泛的應用，比如可以構造出基于虛擬指令執行系統的目標機代碼調試器等。另外根據應用需要．也可增加對80C51單片機的虛擬范圍，比如實現對中斷和I／O等的虛擬。