JPH10283222A - エミュレータ方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 エミュレータではＣ言語の条件でブレーク条
件を指定することができないという課題があった。 【解決手段】 ユーザが入力するブレーク条件となるＣ
言語の条件式を解析し、この解析結果より、ターゲット
のマイクロプロセッサが実行可能な命令コードを生成
し、この生成した命令コードをターゲットのメモリ空間
の空き領域へロードし、上記ブレーク条件の判定アドレ
スの設定と、命令実行のブレークポイントを設定するも
のである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、マイクロプロセ
ッサのプログラム開発に使用するエミュレータ方法に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】図６は、マイクロプロセッサ用のエミュ
レータのシステム構成図であり、図において、２１はホ
ストコンピュータ、２２はホストコンピュータとエミュ
レータ２３間でコマンドやデータを送受信する通信ケー
ブル、２４はマイクロプロセッサを搭載するターゲット
システム、２５はエミュレータとターゲットシステムを
接続するプローブである。このプローブの先端は、マイ
クロプロセッサのＩＣパッケージと同じ形状であり、タ
ーゲットシステムの基板上のマイクロプロセッサのソケ
ット２８に接続されている。

【０００３】２６はホストコンピュータ２１上で動作す
るデバッグソフトウエアであり、ユーザはこのソフトウ
エアを操作することによって、エミュレータ２３を制御
する。２７はホストコンピュータ２１上で動作するＣコ
ンパイラであり、エミュレータシステムの構成要素では
ないが、デバッグソフトウエアの処理内容を説明する上
で必要になるので合わせて示している。このＣコンパイ
ラは、プログラミング言語であるＣ言語で記述されたソ
ースファイルを翻訳し、マイクロプロセッサが理解でき
る機械語ファイルを生成する。また、デバッグソフトウ
エアがＣ言語の変数式を参照する際に必要になる変数
名、サイズ情報、アドレス情報等を保持したデバッグ情
報ファイルも併せて生成する。

【０００４】上記エミュレータ２３は、マイクロプロセ
ッサのプログラム開発において、作成したプログラムの
間違いを見つける作業（デバッグと称する）で使用する
ツールであり、以下の主要な機能を有する。

【０００５】ａ．プログラムの実行機能 マイクロプロセッサのターゲットシステム（たとえば電
子ジャー、エアコン等）では、プログラムを最終的にＲ
ＯＭに搭載し、マイクロプロセッサを動作させるが、エ
ミュレータ２３ではプログラムをＲＯＭに搭載すること
無く、作成したプログラムを実行することができる。

【０００６】ｂ．プログラムのブレーク機能 上記ａのプログラム実行機能でプログラムを実行した結
果、ターゲットシステムが正しく動作しなかった場合、
プログラムの間違った箇所を見つけ、修正する必要があ
る。この作業をデバッグという。デバッグでは、プログ
ラム実行を途中で停止させるブレーク機能を用いる。こ
のブレーク機能を用いてプログラムを少しずつ実行し、
ターゲットシステムの動きやプログラムの実行アドレス
等を確認することによって、プログラムの間違った箇所
が発見できる。ブレーク機能では、特定のアドレスにバ
スアクセス（リード・ライト・命令フェッチ）が発生し
た際にブレークするように、ブレーク条件が指定でき
る。

【０００７】ｃ．リアルタイムトレース機能 複雑なプログラムの間違いが発生した場合、ブレーク機
能でプログラムを少しずつ実行するだけでは、プログラ
ムの間違い箇所がわからないことがある。このような場
合、ブレーク機能と併せてリアルタイムトレース機能を
利用する。リアルタイムトレース機能は、プログラム実
行を遅延させることなく（すなわちプログラム実行のリ
アルタイム性を保証しつつ）プログラム実行中のバスア
クセスに関する情報をトレースメモリと呼ばれるメモリ
に逐次格納する。このリアルタイムトレース機能を利用
すると、プログラムをブレークした後、トレースメモリ
を参照することによって、ブレークするまでにどのよう
な経路でプログラムが実行されたか、またどのようなデ
ータアクセスがあったか確認することができる。

【０００８】図７は、上記エミュレータ２３の内部回路
を示すブロック図であり、３１はエミュレーション用の
マイクロプロセッサ、３２はエミュレーションメモリ、
３３はシステムバス、３４はブレーク回路、３５はプロ
グラム実行中、システムバスの情報をトレースメモリに
格納するトレース回路、３６はモニタ回路、３７はモニ
タ回路３６から制御され、システムバス３３を制御する
バス制御回路である。

【０００９】上記モニタ回路３６はエミュレータ内部の
各ブロックを制御する中枢となる回路であり、ユーザが
ホストコンピュータ２１から発行したコマンドを解釈
し、コマンドに対応した処理を行うもので、以下の主要
な処理を行う。

【００１０】ａ．ホストコンピュータ２１からプログラ
ム情報を受け取り、エミュレーションメモリ３２に格納
する。 ｂ．プログラム実行に先立ち、予めユーザが設立したブ
レーク条件をブレーク回路３４に設定する。 ｃ．エミュレーションメモリ３２に格納したプログラム
をエミュレーション用のマイクロプロセッサ３１に実行
させる。 ｄ．ブレーク回路３４からブレークを指示する信号が送
られた際、プログラムをブレークさせる。このブレーク
回路３４は、バス制御回路３７を介してシステムバス３
３の情報を監視し、モニタ回路３６によって予め設定さ
れたブレーク条件を満たすバスアクセスが発生したか否
かを判別し、ブレーク条件を満たした際、その旨をモニ
タ回路３６に伝える。

【００１１】次に動作について説明する。図８は、従来
のエミュレータシステムにおけるデバッグソフトウエア
の処理手順を示したフローチャートであり、まず、ダウ
ンロード（ステップＳＴ４１）では、コンパイラがホス
トコンピュータ２１上に生成した機械語ファイルを読み
込み、エミュレータ２３に送信する。

【００１２】次いで、デバッグ情報ファイルのロードで
は（ステップＳＴ４２）、Ｃコンパイラが生成したＣ言
語の変数情報を格納したデバッグ情報ファイルを読み込
み、ホストコンピュータ２１のメモリ上格納する。

【００１３】しかる後、ブレークポイントの設定（ステ
ップＳＴ４３）では、ユーザが入力するブレークポイン
ト情報を解析し、その情報をエミュレータ２３へ転送す
る。ここで、ブレークポイント情報とは、例えばアドレ
ス、アクセス種別（リード、ライト等のどのアクセスの
際にブレークするか）等の情報である。

【００１４】そして、ターゲットプログラムの実行（ス
テップＳＴ４４）では、エミュレータ２３に対してター
ゲットプログラムを実行するためのコマンドを発行す
る。

【００１５】次いで、ブレーク判定（ステップＳＴ４
５）では、ブレークしたか否かを確認するためのコマン
ドをエミュレータ２３に対して発行する。この処理をブ
レークするまで繰り返す。

【００１６】一方、近年のマイクロプロセッサの応用シ
ステムでは、プログラムの大規模化に伴い、プログラミ
ング言語として高級言語が使用されるようになった。そ
の中でも、Ｃ言語は最も良く利用される言語である。

【００１７】このＣ言語でプログラムを開発する場合、
変数の値の比較等、プログラム中で使用する様々な条件
式によって、プログラムのブレーク条件が指定できれ
ば、デバッグを効率よく行うことができる。

【００１８】図９はＣ言語の条件式によるブレーク条件
の指定例を示すもので、配列ａｒｒの添字式として変数
ｉを指定し、その添字式で配列ａｒｒの要素を参照し、
その内容が変数ｂと同じか否かを判別している。

【００１９】

【発明が解決しようとする課題】従来のエミュレータ方
法は以上のように構成されているので、次のような理由
により、Ｃ言語の条件式でブレーク条件を指定すること
ができないという課題があった。

【００２０】イ．Ｃ言語の条件式は複数の命令によって
実行されるために、そのメモリアクセスは複雑であり、
組み合わせも無限である。 ロ．Ｃ言語の変数は、プログラムの高速化のためにマイ
クロプロセッサ内のレジスタに配置されることがある。
この場合、変数参照の際にメモリアクセスが発生せず、
システムバスにその情報が出力されない。

【００２１】一方、マイクロプロセッサのエミュレータ
方法ではなく、汎用のコンピュータ、たとえばミニコ
ン、ＥＷＳ、パソコン上のプログラム開発に使用するデ
バッグソフトウエアでは、下記の手法により、Ｃ言語の
条件式でブレーク条件を指定できるものがある。

【００２２】ハ．ターゲットプログラムを１命令実行す
る毎に、または特定アドレスの命令を実行する毎に、一
時的に強制ブレークする。 ニ．強制ブレークの後、デバッグソフトウエア自身の処
理によって、ブレーク条件となるＣ言語式を計算する。
Ｃ言語の条件式は、翻訳処理によって最終的にメモリ内
容、レジスタ内容、即値を項とする単純な式となる。こ
こではこの単純化した式に従って、必要なメモリ、レジ
スタを参照し、条件式を計算する。 ホ．上記ニの計算の結果、条件式が真になった場合、す
なわち条件が満たされた場合は、ブレーク条件を満たし
たと判断し、そのままブレーク状態とする。そうでない
場合は、まだブレーク条件を満たしていないと判断し、
再度、ターゲットプログラムを実行し、上記ハからの処
理を繰り返す。

【００２３】これらの手法は、マイクロプロセッサのエ
ミュレータ用のデバッグソフトウエアでも利用可能であ
る。しかし、この手法は、ターゲットプログラムの実行
時間を大きく遅延させるため、実用的な手法とはならな
い。マイクロプロセッサの応用システムでは、細かな時
間管理を行っている。従って、プログラムのデバッグに
おいてプログラム実行時間が大きく遅延すると、実際の
動作と異なった動作をしてしまい。デバッグできなくな
るという課題があった。

【００２４】この発明は上記のような課題を解決するた
めになされたもので、Ｃ言語の条件式によってブレーク
条件が指定できるエミュレータ方法を得ることを目的と
する。

【００２５】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明に係
るエミュレータ方法は、ユーザが入力するブレーク条件
となるＣ言語の条件式を解析し、この解析結果より、タ
ーゲットのマイクロプロセッサが実行可能な命令コード
を生成し、この生成した命令コードをターゲットのメモ
リ空間の空き領域へロードし、上記ブレーク条件を判定
する命令アドレスから条件式の命令コードのアドレスに
分岐・復帰できるように分岐命令を挿入し、前記マイク
ロプロセッサが実行可能な命令コードの中の、条件式が
真のときに実行されるアドレスに対して、命令実行のブ
レークポイントを設定するものである。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の一形態を
説明する。 実施の形態１．図１は実施の形態１によるデバッグソフ
トウエアの処理手順を示したフローチャートである。図
において、起動後、コンパイラがホストコンピュータ２
１上に生成した機械語ファイルを読み込み、エミュレー
タ２３に送信するダウンロード（ステップＳＴ４１）、
Ｃコンパイラが生成したＣ言語の変数情報を格納したデ
バッグ情報ファイルを読み込み、ホストコンピュータ２
１のメモリ上に格納するデバッグ情報ファイルのロード
（ステップＳＴ４２）の処理は従来方法と同様である。

【００２７】次いで、Ｃ言語条件式の解析（ステップＳ
Ｔ１１（第１工程））では、ユーザが入力するブレーク
条件となるＣ言語の条件式を解析し、単純なメモリ、レ
ジスタ演算の数式に変換する。この処理には、従来の図
６に示すＣコンパイラ２７等で用いられている言語解析
技術を用いる。なお、解析の過程では、変数の記述をア
ドレスとサイズ情報に変換するために、前記ロードした
デバッグ情報を参照する。

【００２８】ここで、図９で説明したプログラムおよび
ブレークの条件式を例にあげて処理内容を説明する。条
件式は、ａｒｒ［ｉ］＝＝ｂである。これらの式を解析
する場合、図６のＣコンパイラ２７が生成するデバッグ
情報ファイル（

【０００３】で説明済）に含まれる情報が必要になる。
デバッグ情報ファイルの内容は既に説明した図１のステ
ップＳＴ４２によって、ホストコンピュータのメモリ内
に格納されている。

【００２９】図９のプログラム例では、必要な情報は図
２のような情報である（配置アドレスやサイズは、説明
しやすい任意の値を選択した）。なお、変数がレジスタ
変数の場合は配置アドレスの代わりにレジスタ名が、ま
た自動変数の場合は配置アドレスの代わりにフレームポ
インタレジスタ（自動変数をアクセスするためのレジス
タ）からのオフセット値が必要となる。

【００３０】条件式ａｒｒ［ｉ］＝＝ｂは、デバッグソ
フトウエアの字句解析処理、および構文解析処理によっ
て、図３のような簡単な演算式に変換される。なお、こ
れらの字句解析処理および構文解析処理の手法について
は、既知の技術であり、特に言及しない。Ｃコンパイラ
等の言語処理プログラムで既に確立した手法を用いる。

【００３１】条件式の命令コード生成（ステップＳＴ１
２（第２工程））では、前記ステップＳＴ１１における
解析結果より、ターゲットのマイクロプロセッサが実行
可能な命令コードを生成し、ここで生成した命令コード
によって、ターゲットのマイクロプロセッサが条件式を
評価できるようにする。図３で示した解析結果を例に挙
げて、命令コードの生成例を図４に示す。

【００３２】なお、図４では、架空の３２ビットＭＰＵ
を想定し、かつ架空のアセンブラ言語で命令コードの内
容を説明する。各命令の内容は右側にコメントで説明す
る。図４の命令コード生成の手法については、既知の技
術であり、特に言及しない。Ｃコンパイラ等の言語処理
プログラムで既に確立した手法を用いる。

【００３３】この処理でも、従来のＣコンパイラ２７等
で用いられている命令コード生成技術を用いる。この命
令コード生成は次の点を考慮する。

【００３４】ａ）命令コードの先頭で、レジスタの内容
をメモリの空き領域を確保した作業領域に退避する。図
４では、（１）〜（３）に相当する。図４ではスタック
領域を使用しているが、別の空き領域を確保し、転送命
令で退避してもよい。 ｂ）条件式が真のときと偽のときで異なったアドレスへ
分岐する。図４では、（９）で処理している。この箇所
は、Ｃの条件式が真の場合は、下の（１１）の行を実行
し、条件式が偽りの時はｌａｂｅｌ１のある（１３）の
行へ分岐する。 ｃ）ｂ）の真と偽の２つのアドレスから更に共通のアド
レスへ分岐する。図４では、真偽共、最終的に（１４）
の行へ分岐する。 ｄ）ｃ）の共通のアドレスにおいて、ａ）で退避したレ
ジスタの内容を復帰する。図４では、（１４）の行でス
タックからレジスタを復帰している。

【００３５】空きメモリ領域へのロード（ステップＳＴ
１３（第３工程））では、ステップＳＴ１２で生成した
命令コードをターゲットのメモリ空間の空き領域へロー
ドする。この処理では、ステップＳＴ４１のダウンロー
ドと同じように、エミュレータの命令コードを送信す
る。なお、図４では、命令コードの内容を分かり易く説
明するために、架空のアセンブリ言語の記述を用いた
が、実際の図１のステップＳＴ１２では、マイクロコン
ピュータが実行可能な機械語（バイトコード群）で命令
コードを生成しているものとする。

【００３６】次いでブレーク条件の判定アドレスの設定
（ステップＳＴ１４（第４工程））について、図５を用
いて説明する。ブレーク条件の判定アドレスの設定（ス
テップＳＴ１４）では、以下の処理を行う。

【００３７】ｅ）ユーザが入力する命令アドレスを得
る。これは、すなわちＣの条件式を評価させる位置、す
なわちブレークさせたいアドレスをユーザが入力し、そ
の情報をデバッグソフトウエアが入手する処理のことで
ある。図５では、ユーザがソースプログラムの２２行目
の行頭にブレークするアドレスを設定することを想定し
ている。従って、この場合の命令アドレスの指定では、
ユーザが２２行目の行頭のアドレスであるＯX ８０１２
番地を入力する（例えばホストコンピュータのキーボー
ドから入力する）ことになる。

【００３８】なお、Ｃ言語プログラムの開発では、ユー
ザがソースプログラムの各行頭に相当するアドレスを予
め知っていることは少ない。従って、デバッグソフトウ
エアの中には、ソースファイル名と行番号の入力を受け
付け、その情報からアドレスに変換する機構を持つもの
もある。このあたりに関しては、この発明と直接関係し
ないので言及しない。 ｆ）入力されたアドレスに存在した命令コードをホスト
コンピュータのメモリに退避し、代わりにステップＳＴ
１３のロード先の先頭アドレスに分岐するための命令コ
ードを挿入する。

【００３９】この処理について、図５を用いて説明す
る。この処理は、２２行目以降の命令コードを実行する
前に、ステップＳＴ１３のロード先の先頭アドレスから
始まる命令コードを実行させるための処理である。この
ためには、２２行目の行頭に相当するアドレスに対し
て、ステップＳＴ１３のロード先の先頭アドレスへの分
岐命令を挿入（上書き）すれば良い。

【００４０】しかし、単に上書きしてしまうと、以前の
命令が消去され、実行されなくなってしまう。そのた
め、デバッグソフトウエアは、以前の行頭アドレスに存
在した命令コードをエミュレータから参照し、ホストコ
ンピュータ上のメモリ（作業用メモリであればどこでも
良い）に一時的に退避しておく必要がある。ここで退避
した命令コードは、後の処理で再度、使用する。図５で
説明すると（１）と（２）のコードのことである。

【００４１】なお、分岐命令を挿入する場合に、元々存
在した命令の境界をまたぐ場合がある。例えば図５の２
番目の命令（２）が４バイト長の命令であった場合等で
ある。この場合、そのまま上書きすると、命令の途中ま
で上書きされ、残りの命令が不正なコードとして実行さ
れてしまう。このような場合は、分岐命令に加えて、ノ
ーオペレーション命令（ｎｏｐ）を挿入する必要があ
る。

【００４２】ｇ）ステップＳＴ１２で生成した条件式の
命令コード（すなわちステップＳＴ１３でロードした命
令コード）の最後の処理（ｄ）の後として、ｆ）で退避
した命令コードを追加し、その後にｆ）で挿入した分岐
命令の次のアドレスに分岐するための命令コードを追加
する。これらの処理によって、ユーザが指定したアドレ
スにおいて、Ｃ言語の条件式の命令コードが実行でき、
かつその後、元の命令コードを実行できる。

【００４３】図４で説明すると、ｄの後の最後の処理と
は、（１７）の行のことである。ここで、図５の（１）
と（２）の退避済みの命令コードを挿入する。更にその
後ろに、図５の（３）の命令アドレスＯX ８０１８番地
へ分岐するための分岐命令（ｊｍｐＯX ８０１８）を挿
入する。

【００４４】なお、もし退避した命令コード（図５の
（１）と（２））が、元々存在したアドレス以外で実行
した際に異なった動作をする命令であった場合（例えば
相対分岐命令等）、異なったアドレスで実行できる別の
命令（例えば絶対分岐命令等）に置き換える必要があ
る。

【００４５】ブレークポイントの設定（ステップＳＴ１
５（第５工程））では、ステップＳＴ１２の条件式の命
令コードの中の、条件式が真のときに実行されるアドレ
スに対して、命令実行のブレークポイントを設立する。
命令実行のブレークポイント設定では、それに相当する
コマンドをエミュレータに送信する。図４で説明する
と、（１１）の行頭のアドレスに命令のブレークポイン
トを設定する。

【００４６】以下、エミュレータ２３に対してターゲッ
トプログラムを実行するためのコマンドを発行するター
ゲットプログラムの実行（ステップＳＴ４４）、ブレー
クしたか否かを確認するためのコマンドをエミュレータ
２３に対して発行するブレーク判定処理（ステップＳＴ
４５）をブレークするまで繰り返す。

【００４７】

【発明の効果】以上のように、請求項１記載の発明によ
れば、ユーザが入力するブレーク条件となるＣ言語の条
件式を解析し、この解析結果より、ターゲットのマイク
ロプロセッサが実行可能な命令コードを生成し、この生
成した命令コードをターゲットのメモリ空間の空き領域
へロードし、上記ブレーク条件を判定する命令アドレス
から条件式の命令コードのアドレスに分岐・復帰できる
ように分岐命令を挿入し、前記マイクロプロセッサが実
行可能な命令コードの中の、条件式が真のときに実行さ
れるアドレスに対して、命令実行のブレークポイントを
設定するように構成したので、デバッグソフトウエア
と、命令実行のブレーク機能を備えたエミュレータを用
いることによって、わずかな実行遅延、すなわちターゲ
ットのマイクロプロセッサがレジスタ退避、復帰、Ｃ言
語の条件式の実行に要する時間を遅延させるだけで、Ｃ
言語の条件式をブレーク条件としてターゲットプログラ
ムをブレークできるマイクロプロセッサ用エミュレータ
システムを得ることができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の実施の形態１によるデバッグソフ
トウエアの処理手順を示すフローチャートである。

【図２】 プログラム情報の説明図である。

【図３】 演算子の説明図である。

【図４】 Ｃ条件式の解析結果の説明図である。

【図５】 ブレーク対象のプログラムの説明図である。

【図６】 マイクロプロセッサ用のエミュレータのシス
テム構成図である。

【図７】 従来のエミュレータの内部回路のブロック図
である。

【図８】 従来のデバッグソフトウエアの処理手順を示
すフローチャートである。

【図９】 Ｃ言語の条件式によるブレーク条件の指定例
である。

【符号の説明】

ＳＴ１１ ステップ（第１工程）、ＳＴ１２ ステップ
（第２工程）、ＳＴ１３ ステップ（第３工程）、ＳＴ
１４ ステップ（第４工程）、ＳＴ１５ ステップ（第
５工程）、３１ マイクロプロセッサ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ユーザが入力するブレーク条件となるＣ
   言語の条件式を解析する第１工程と、この解析結果よ
   り、ターゲットのマイクロプロセッサが実行可能な命令
   コードを生成する第２工程と、この生成した前記命令コ
   ードをターゲットのメモリ空間の空き領域へロードする
   第３工程と、前記ブレーク条件を判定する命令アドレス
   から条件式の命令コードのアドレスに分岐・復帰できる
   ように分岐命令を挿入し、ブレーク条件の判定アドレス
   を設定する第４工程と、前記マイクロプロセッサが実行
   可能な命令コードの中の、条件式が真のときに実行され
   るアドレスに対して、命令実行のブレークポイントを設
   定する第５工程とを備えたエミュレータ方法。