基于SystemC的周期精确级全系统仿真和非侵入式调试

摘要

摩尔定律持续有效，片上系统应运而生。嵌入式实时系统的复杂性急剧提高，功能的验证和调试也面临巨大挑战。 嵌入式实时系统的仿真和调试需要遵循苛刻的原则。本文提出的周期精确级仿真和非侵入式调试构成嵌入式实时系统可验证的充分条件。 本文在对虚拟机分类的基础上，论证了周期精确级全系统仿真的重要意义。本文对传统的调试方法进行了分类，并根据调试的Heisenberg(海森堡)原则进行了评判，指出Simulator-based debugging是实时系统调试的合理的出发点；强调了实时系统仿真和调试的特殊要求；在此基础上，提出中间解析层的概念来解决传统虚拟机在调试其上操作系统的进程时对被调试系统的侵入。 本文论述了软硬件协同设计思想的起源，通过对软硬件协同设计与传统开发模式的比较引入SystemC这一软硬件协同设计工具；讨论了在单处理器系统或多处理器系统上进行数字系统仿真的思想演变和实现方案，按照逐步精化的方法论证了SystemC本身设计思想的正确性和完整性，定义了SystemC的严格语义；在此基础上，给出了基于SystemC的设计方法。 本文展示了采用SystemC软硬件协同设计工具对嵌入式系统进行周期精确级仿真的完整设计和实现过程，独自建立了与ARM7TDMI处理器核以及AMBA总线(ahb总线和apb总线)等价的周期精确级模型，详细描述了仿真包含ARM7TDMI处理器核、AMBA总线(ahb总线和apb总线)、处理器的总线wrapper、存储器、时钟以及外设的SoC芯片的过程以及优化方法。 本文通过在bochs虚拟机和Linux-0.11操作系统上的实施证明了中间解析层思想的可行性，同时也指出其局限性。 总而言之，本文从仿真思想、仿真方法和调试策略分别展开，构成了嵌入式实时系统仿真和调试的完善解决方案。