面向SPARC V8的SOC软硬件协同仿真环境设计

【摘要】随着电路集成度的不断增加及超深亚微米制造工艺技术的出现,IC向SOC发展成为必然趋势,21世纪将是SOC的时代。随着市场应用需求的不断提升,SOC设计越来越复杂,规模越来越大,与之相应的SOC验证的难度和复杂度也在不断地增大。软硬件协同仿真技术作为面向SOC验证的关键技术,发挥着越来越重要的作用。一个好的软硬件协同仿真环境能够在设计早期发现软/硬件中存在的问题,提高验证覆盖率,增加芯片一次投片成功的几率。基于SPARCV8嵌入式处理器的SOC正越来越多地被应用于航空航天、军事、税控、工业控制等国民经济与国防建设的各个领域。在载人飞船、控制应用等对系统实时性和稳定性要求很高的场合,对SOC设计的高可靠性和验证完备性的要求越来越高,面向SPARCV8嵌入式处理器的SOC软硬件协同仿真验证也越来越重要。目前市面上主流的嵌入式处理器(如MIPS、ARM)均有对应的SOC软硬件协同仿真工具,基于SPARCV8的SOC验证没有相应的软硬件协同仿真工具支持,软硬件协同仿真验证难以进行。研究和设计面向SPARCV8的SOC软硬件协同仿真环境对于国产SOC的设计验证具有重要意义。本文设计了一种面向SPARCV8的SOC软硬件协同仿真环境,实现了基于SPARCV8的SOC软硬件协同仿真验证。本文的研究工作主要从以下几个方面展开：第一,充分讨论了传统的集成电路验证技术,深入研究了面向SOC的验证方法,着重分析了业界领先的SOC验证技术——软硬件协同仿真技术。对软硬件协同仿真技术原理的理解是设计软硬件协同仿真环境的基础。第二,基于SPARCV8的嵌入式处理器LEON2内核具有开放的RTL级源代码,本文研究中所采用的国产化SPARCV8处理器IP核是由LEON2修改与剪裁而来,该IP核RTL级源代码作为协同仿真环境中的处理器模型执行软件程序。因此在设计协同仿真环境之前,需要深入分析SPARCV8及LEON2内核的结构。通过搭建基于FPGA的LEON2原型验证平台,进行LEON2内核的硬件调试与软件验证；在硬件调试过程中分析整个处理器的架构及各个模块的功能；在软件验证过程中分析处理器内部各个功能模块之间数据流的走向。第三,提出软硬件协同仿真的整体方案,设计基于此方案的软硬件协同仿真环境的总体框架。该协同仿真环境采用RTL级源代码在硬件仿真器MODELSIM对处理器内核进行仿真,软件程序在软件调试器SPE-C中编写。如何实现硬件仿真器与软件调试器的数据交互,使软件程序能够在处理器内核上执行,并使得软件和硬件波形按指令同步是该协同仿真环境要解决的关键问题。第四,根据协同仿真环境的总体框架,设计协同仿真环境所需的硬件模块和软件模块,实现硬件仿真器与软件调试器的通信,建立软硬件协同仿真环境。该协同仿真环境采用RTL级源代码对处理器内核进行仿真,与目前常见的处理器仿真模型或指令集模型级的协同仿真工具相比,其仿真结果更接近真实的目标系统；减少了硬件上的多次和重复投资,节省了资源；调试性能很高,内部信号可观测性极强。该仿真环境的建立为SPARCV8的SOC验证提供了软硬件协同仿真验证的平台,为今后研究SPARCV8的SOC软硬件协同仿真提供了理论和现实依据,对提升国产SOC设计验证的自主创新能力具有重要意义。
【作者】李亚；
【导师】张伟功；
【作者基本信息】首都师范大学，通信与信息系统，2014，硕士
【关键词】SOC验证；软硬件协同仿真；SPARCV8，LEON2内核；硬件仿真器；软件调试器；

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