RPSim：面向SoC软件研发的快速原型全系统模模拟平台设计与实现

摘要

近年来，SoC(System-on-Chip)产品越来越普及，如手机、平板电脑等。而为了更好的适应市场和技术发展的节奏，SoC产品的上市时间被压缩到8到12个月。如此紧凑的时间计划使得SoC产品的研发工作面临着前所未有的挑战和压力。
　　SoC产品的研发周期通常由两部分过程组成，硬件设计过程和软件研发过程。其中，软件研发过程所占的比重较大，最多可以达到70％，因而一旦硬件结构的细节被基本确定之后，相关的软件研发工作就需要尽可能早的在相关硬件的模拟平台上开始，以便更快的开发出硬件可用的应用程序和系统软件。因此，可定制易扩展的模拟平台作为SoC产品研发工作的关键工具一直是相关研究工作者所关注的重点所在。
　　然而，当前的模拟平台并不能很好的支持SoC软件的迅速研发。这是由于在硬件设计中，为了提高设计的效率，研发者们通常会集成高模块化和高可用性的IP核(Intellectual Property core)或使用自定制的指令来加快硬件设计的速度，而当前的模拟平台对于IP核和自定制指令的模拟支持并不理想。其原因有以下几点:首先，大多数IP核都使用黑盒实现方法，通常只能得到其功能执行的结果，而无法获得更详细的微体系结构信息，这使得其相应的时序模拟难以进行;其次，由于集成IP核会大大降低硬件设计的复杂度，因而SoC芯片上所集成的IP核的数目也越来越多，这需要模拟平台深入理解每一个IP核的行为和原理并且加以模拟，显然这是十分耗时的工作;再次，由于不同IP核的通讯接口各不相同，因而模拟平台还需要分别设计与这些IP核进行通信的信息传输接口;最后，为了支持自定制新指令的模拟，通常需要修改编译器工具链，这也需要大量的时间和人力资源。
　　针对这些问题，本文提出了RPSim模拟平台，一个面向SoC软件研发的全系统模拟平台来实现IP核和自定制指令的迅速扩展。本文使用软硬件协同工作的架构，将IP核映射到FPGA开发板上来实现功能和时序模拟，而后设计了准确的通用信息传输接口，以保证各个不同IP核的正常使用，从而实现IP核的模拟支持。此外，本文还使用可配置库函数来支持自定制新指令的扩展，同时准确的设定其寄存器的依赖关系等信息以保证精确的时序模拟。
　　总体来说，本文的主要贡献主要包括以下几点:
　　本文提出了一种软硬件协同工作的架构和通用的信息传输接口米实现IP核的迅速集成使用;
　　本文提出了一种通过使用可配置库函数来实现新指令扩展的机制。这种机制不需要修改编译器工具链，因而相对来说简单易用。
　　本文提出了一个适用于SoC软件研发的快速原型模拟平台，为SoC软件的研发提供有力的支持。

目录

摘要

图目录

表目录

第1章 引言

第2章 背景介绍

2．1 模拟IP核面临的挑战

2．1．1 IP核的多样性的影响

2．1．2 IP核的模拟和通信处理

2．1．3 IP核模拟的精确性和性能保证

2．1．4 模拟平台研发效率

2．2 模拟自定制指令面临的挑战

2．2．1 自定制指令的编译支持

2．2．2 自定制指令的寄存器依赖处理

2．3 快速原型SoC模拟平台的标准

2．3．1 SoC模拟平台面临的问题

2．3．2 快速原型SoC模拟平台的需求

2．4 本章小结

第3章 RPSim模拟平台设计与实现

3．1 RPSim模拟平台基本框架

3．2 快速扩展IP核

3．2．1 使用FPGA模拟IP核

3．2．2 模拟平台与IP核之间通用信息传输接口

3．2．3 多IP核模拟支持

3．2．4 时序模拟的时钟精确性保证

3．3 可配置链接库

3．3．1 消除编译器工具链修改

3．3．2 删减冗余的时序模拟

3．3．3 寄存器依赖关系设定

3．4 本章小结

第4章 例证分析

4．1 寄存器依赖问题示例

4．2 库函数示例

4．3 库函数边界标识示例

4．4 寄存器依赖关系设定示例

4．5 扩展IP核和自定制指令

4．5．1 扩展IP核模拟

4．5．2 扩展IP核示例

4．5．3 扩展自定制指令模拟

4．5．4 扩展自定制指令示例

4．6 本章小结

第5章 实验测试

5．1 实验环境配置

5．2 性能测试

5．3 精确性测试

5．4 模拟平台开发工作

5．5 本章小结

第6章 相关工作

6．1 模拟器加速技术相关工作

6．1．1 采样加速技术

6．1．2 并行加速技术

6．1．3 FPGA加速技术

6．1．4 分析模型加速技术

6．2 模拟器扩展相关研究

6．2．1 模拟器模块化研究

6．2．2 模拟器迅速构建研究

6．2．3 扩展自定制指令的相关研究

6．3 本章小结

第7章 总结

参考文献

致谢

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