媒体数字信号处理器模拟器研究与实现

发布时间：2020-07-19 12:13

【摘要】： 现代处理器设计过程中,软件模拟器已经成为不可或缺的重要验证工具。与不使用模拟技术的计算机系统或处理器设计方法相比,软件模拟技术可以极大地降低设计成本和缩短设计周期。本实验室从事处理器设计已经多年,越发体验到软件模拟技术在工程设计中的重要性。鉴于早先开发的指令集模拟器在早期指令集设计中发挥了重要的作用,对于处理器体系结构的仿真主要依靠Verilog模型来实现,而利用该模型进行的仿真是非常耗时的。因此随着处理器设计的深入,为了快速反映处理器微结构的性能,本文以实际需求为出发点,参考现有的模拟器设计开发了针对嵌入式媒体数字信号处理器MediaDSP64(简称MD64)处理器的周期级模拟器SimMD64。通常开发一个微体系结构周期级软件模拟器是一项较为困难的工作,因此,本文在充分调研了国内外软件模拟技术的基础上,通过对比选择,确定以SimpleScalar模拟器为基础,开发出适合MD64处理器体系结构的周期级精确软件模拟器。一个完整的微体系结构周期级软件模拟器工具,不仅包括了模拟器本身,而且同时需要开发出相应的编译工具作为支持。因而在SimMD64的开发过程涉及了交叉编译工具链的开发与MD64处理器体系结构的建模,以及通用处理器模拟技术的应用等几个方面。 SimMD64模拟器的开发做为本文的重点章节,依据第二章中提出的模拟器设计框架,从目标文件的加载、MMU功能模块的实现、TLB功能的模拟、cache模块的模拟、通用分支预测技术的采用直至MD64微体系结构的建模等几个方面,层层深入依次展开论述和介绍。通过图像、音视频编解码等媒体应用程序和数字信号处理应用程序在SimMD64模拟器上的评测结果与在MD64处理器的Verilog描述模型在ModelSim上评测结果进行的相似度对比实验,验证了SimMD64设计的可靠性--对富含分支指令和DMA操作的媒体应用程序模拟相似度达到76%以上,对于DSP kernel(无DMA操作,分支指令较少)应用程序的模拟相似度达到了96%以上。就模拟速度而言,进行指令集功能模拟,模拟速度可达到7.20M/s(每秒7.20兆条指令),进行周期级模拟速度可达0.52M/s。最后,通过具体实验提出了对MD64处理器设计的改进方案,为今后进一步开发多核模拟器打下了良好的基础。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TP332
【图文】：

结构图,结构图,类指,面向寄存器

DDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDMAAA BBBusInteri兔 eeUnlttttt臀梦)户户户 (CP2))) (((BIU)))))))))))图2一 1MD64结构图 2.2MediaDSP64指令集为了适应媒体应用需求，MD64将RISC体系结构和DSP的计算能力融为一体，它以R工SC体系结构为基础，兼容MIPS32指令集，同时增加了DSP扩展指令与SIMD指令。指令结构分为面向寄存器操作的寄存器一寄存器类指令和面向存储器操作的寄存器一存储器类指令。具体又可分为具有R工SC特点面向寄存器的 MDF(MD64Fundament)类指令，具有DSP特点面向存储器的 MDD(MD64DSP)类指令，具有SIMD类分裂模式操作支持64bit位操作的MDS(MD64SIMD)类指令以及支持128bit位操作的 EMS(ExtendedMD64SIMD)类指令。MD64处理器将RISC与DSP的指令操作、寻址模式等要素充分融合形成了即善于执行系统程序，又善于执行数字信号处理程序

框架图,模拟器,框架

行 ecomPiled55 es(testSPEC95图2一 5Simplesealar工具集框架针对不同层次设计人员的需求，Simplescalar提供了六个不同功能的仿真器:Sim一Fast、Sim一Safe、Sim一Profil。、Sim一Caehe、Sim一。10和Sim一outorder，极大方便了研究人员的工作需求。图2一6表示了Simplescalar模拟器的软件框架。模拟器采用分层模块化的组成结构。SimPlescalar通过采用执行驱动技术(即由目标指令模拟器对每一条指令进行解释执行，通过执行的结果驱动性能模拟器)将功能模拟和性能模拟结合起来协同工作，加快了处理器错误预测状态的恢复。对于Sysoall系统调用I/O指令，SimPlesoalar将其转换成对操作系统的系统调用，并将结果返回给相应指令。 UserProgramsProg/SimInterfaee 5imPlesealrISAPOSIXSystemCallsFUn以ionalCO化M鱿 hineDefinition ProxySyseallHandlerPerform阴CeCo沈巨?

模拟模型,流水线,流水,主函数

AAAAAAAAAAAdd川川川 Co而 ()))))Mem()))))D~TLBBBMMM朗 oryyyyyyyyyyyyyyy图3一 17MD64流水线模拟模型其中:Ruu--Feteh、Ruu--ldeeode、RuuseRegfile、RuuesDataAddr、RuuesAdd到Contr、RuuesDataMem、Ruu--piPeeom、Ruu‘Issue、Ruu少叭tebaek分别与MD64的各流水级相对应，Ruuc。~t在模拟多发射的情况下单独表示为一个指令提交流水级。SimMD64模拟器中周期级的模拟是通过主函数sim一ain()来实现的: voidsimmain(void){for(;;

【参考文献】