SOC软硬件协同模拟中软件模拟器的设计与实现

摘要

系统芯片SOC(System on a Chip)的出现使得整个系统在一个芯片上实现成为可能，但设计的复杂性也给设计方法和设计流程提出了更高要求。SOC软硬件协同模拟可以在SOC设计的前期很好地发现与反馈设计中存在的问题，但随着SOC功能的不断增加、应用领域的不断扩展，传统的基于专门硬件描述语言的模拟模型设计方法已不能满足设计的复杂性与快速变化性要求，有效而快速地开发准确的协同模拟模型已成为SOC设计流程中的一个瓶颈。 面向对象的分析与设计能显著降低问题的复杂性。本文在对面向对象理论与SystemC建模技术作了深入研究后，分析了面向对象思想在具有硬件特性的SOC模拟模型设计中的适用性。 论文探讨了SOC软硬件协同模拟模型中软件模拟器的构建方法，利用面向对象技术建立了指令集模拟器ISS(Instruction Set Simulator)，在ISS的构建中，提出了将并发处理提取作为单独模块实现，有利于设计重用。在总线模拟模型BSM(Bus Simulation Model)的构建中，采用了面向对象中的接口方法调用原理，结合SystemC的接口方法调用实现机制，实现了具有良好设备可扩充性的BSM。分析了基于C++的ISS与基于SystemC的BSM在集成中存在的问题与难点，提出了将ISS包装与BSM进行无缝连接的解决方案。最后，自行设计与开发了模拟运行平台。 实验结果与代码共用率计算结果表明，本文实现的软件模拟器的指令模拟运行是有效的，设计与代码实现也可在一定程度上被重用。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章前言

1.1 SOC简介

1.2 SOC设计流程与设计方法

1.2.1 SOC设计流程

1.2.2 SOC设计方法

1.3软硬件协同模拟技术

1.3.1软硬件协同模拟的概念

1.3.2模拟方式

1.4软硬件协同模拟中的软件模拟器

1.5软硬件协同模拟中软件模拟器的国内外研究现状

1.6本文研究内容

第二章面向对象技术在软件模拟器设计中的应用

2.1面向对象技术概念

2.2面向对象技术的基本理论

2.2.1基本概念

2.2.2主要特性

2.3面向对象技术在软件模拟器设计中的应用

2.3.1面向对象的分析与设计

2.3.2 SOC软件模拟器中的对象及基本关系

2.3.3设计重用与设计模式

2.3.4 SystemC中面向对象特性的硬件功能描述

2.4本章小结

第三章指令集模拟器的设计与实现

3.1 ISS及实现中要解决的主要问题

3.1.1 ISS简介

3.1.2 ISS的实现中需要解决的主要问题

3.2 ISS的基本结构与工作原理

3.3 ISS中的对象提取

3.4 ISS的设计

3.4.1总体结构设计

3.4.2实现方式

3.5并发处理模块

3.5.1概念定义

3.5.2建立结构模型

3.5.3具体实现

3.6功能单元模块

3.6.1具体令牌管理者

3.6.2具体指令路线

3.6.3译码单元的实现

3.6.4ALU单元的实现

3.7目标机器时间的模拟

3.8模拟的正确性分析

3.8.1并发性的模拟

3.8.2操作危险的避免

3.8.3数据危险的避免

3.9运行实例：加法指令的运行过程

3.10本章小结

第四章总线模拟模型的设计与实现

4.1设计思想

4.1.1接口方法调用机制

4.1.2 BSM的模块结构

4.2 BSM中接口的实现

4.2.1主设备接口(bus_direct_if、bus_non_blocking_if、bus_blocking_if)

4.2.2从设备接口(bus_slave_if)

4.2.3仲裁器接口(bus_arbiter_if)

4.2.4译码器接口(bus_decode_if)

4.3仲裁器的实现

4.4译码器的实现

4.5 BSM的运行机制

4.6 BSM的设备扩充方式

4.6.1主设备的扩充方式

4.6.2从设备的扩充方式

4.7本章小结

第五章指令集模拟器与总线模拟模型的集成

5.1集成中的问题、难点与解决方案

5.2 ISS与BSM集成的设计

5.3 ISS与BSM集成的实现

5.4 ISS与BSM的协同运行机制

5.5本章小结

第六章实验结果与重用性分析

6.1模拟器运行环境

6.1.1硬件平台

6.1.2软件配置

6.2测试程序的目标文件生成

6.3波形文件的生成

6.4运行界面

6.4.1 SOC软件模拟平台1.0

6.4.2平台的进一步开发

6.5模拟结果

6.5.1 ISS独立运行加法指令的测试结果

6.5.2 BSM独立运行的测试结果

6.5.3 ISS与BSM集成运行的测试结果

6.6共用代码统计与开发效率分析

6.7结论

第七章总结与展望

7.1 工作总结

7.2进一步研究方向

参考文献

作者在攻读硕士学位期间公开发表的论文

作者在攻读硕士学位期间所作的项目

致 谢