基于QEMU和SystemC的多核仿真器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于QEMU和SystemC的多核仿真器，其特征在于所述仿真器包括：QEMU模塊，用于模擬片上網(wǎng)絡(luò)上每個(gè)處理器；SystemC模塊，用于仿真片上網(wǎng)絡(luò)上硬件的具體細(xì)節(jié)，根據(jù)硬件接口構(gòu)建仿真片上網(wǎng)絡(luò)的硬件互連模塊，模塊之間通過端口和信號進(jìn)行連接和通訊；通信模塊，采用共享內(nèi)存機(jī)制，用于QEMU模塊和SystemC模塊進(jìn)行通訊。該仿真器可運(yùn)行完整的操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序，可以達(dá)到與QEMU（開啟TCG后）相當(dāng)級別的性能。
【專利說明】基于QEMU和SystemC的多核仿真器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于仿真【技術(shù)領(lǐng)域】,具體涉及一種基于QEMU和SystemC的片上網(wǎng)絡(luò)(NoC)多核仿真器。
【背景技術(shù)】
[0002]片上網(wǎng)絡(luò)(network-on_chip,NoC)是基于多處理器技術(shù)的一種新型的計(jì)算集成形式，涉及硬件通信結(jié)構(gòu)、中間件、操作系統(tǒng)通信服務(wù)、設(shè)計(jì)方法及工具等。基于NoC的系統(tǒng)能很好地適應(yīng)在現(xiàn)在復(fù)雜SoC設(shè)計(jì)中常使用的多異步時(shí)鐘。
[0003]QEMU是一套由Fabrice Bellard所編寫的以GPL許可證分發(fā)源碼的模擬處理器，在GNU/Linux平臺上使用廣泛。具備其許多特性，比如高速度及跨平臺的特性。QEMU有兩種主要運(yùn)作模式=(I)User mode模擬模式，亦即是使用者模式。QEMU能啟動那些為不同中央處理器編譯的Linux程序。(2)System mode模擬模式,亦即是系統(tǒng)模式。QEMU能模擬整個(gè)電腦系統(tǒng)，包括中央處理器及其他周邊設(shè)備。它使得為跨平臺編寫的程序進(jìn)行測試及除錯(cuò)工作變得容易。
[0004]SystemC由C++衍生而來，在C++基礎(chǔ)上添加硬件擴(kuò)展庫和仿真庫構(gòu)成，從而使SystemC可以建模不同抽象級別的包括軟件和硬件的復(fù)雜電子系統(tǒng)。他的最基本的結(jié)構(gòu)單元是模塊(module),模塊可以包含其他模塊或過程(process)和方法(method),過程如同C語言中的函數(shù)用以實(shí)現(xiàn)某一行為模塊，通過接口(port)與其他模塊通信接口之間用信號(Signal)相連。一個(gè)完整的系統(tǒng)由多個(gè)模塊組成，每個(gè)模塊包含一個(gè)或多個(gè)過程和方法，過程是平行工作的?；赟ystemC的設(shè)計(jì)方法支持設(shè)計(jì)者在不同層次上建模減小了代碼量和工作量提供了更高的工作效率，也就是說利用SystemC與傳統(tǒng)的方法相比可以更為高效快速地進(jìn)行仿真。
[0005]盡管各種仿真技術(shù)各有特色，但大都基于某一個(gè)體系架構(gòu)，有的可以支持多個(gè)體系架構(gòu)卻難以運(yùn)行通用操作系統(tǒng)，有的可以運(yùn)行通用操作系統(tǒng)，但運(yùn)行速度較慢，有的不具有良好的可擴(kuò)展性，有的基于QEMU和SystemC做了一些工作但各有側(cè)重。本發(fā)明因此而來。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明目的在于提供一種基于QEMU和SystemC的多核仿真器，解決了現(xiàn)有技術(shù)中現(xiàn)有的仿真器兼容多個(gè)體系架構(gòu)卻難以運(yùn)行通用操作系統(tǒng)，或者能運(yùn)行通用操作系統(tǒng)，但運(yùn)行速度較慢等技術(shù)問題。
[0007]為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的這些問題，本發(fā)明提供的技術(shù)方案如下:
[0008]一種基于QEMU和SystemC的多核仿真器，其特征在于所述仿真器包括:
[0009]QEMU模塊，采用系統(tǒng)模式，用于模擬片上網(wǎng)絡(luò)上每個(gè)處理器和外圍設(shè)備；
[0010]SystemC模塊，用于仿真片上網(wǎng)絡(luò)上硬件的具體細(xì)節(jié)，根據(jù)硬件接口構(gòu)建仿真片上網(wǎng)絡(luò)的硬件互連模塊，模塊之間通過端口和信號進(jìn)行連接和通訊；
[0011]通信模塊，采用共享內(nèi)存機(jī)制，用于QEMU模塊和SystemC模塊進(jìn)行通訊。[0012]優(yōu)選的技術(shù)方案是:所述QEMU模塊設(shè)置與SystemC模塊協(xié)作的中斷處理子模塊，所述中斷處理子模塊用于設(shè)置協(xié)作位置、通道劃分、消息結(jié)構(gòu)和消息源類別。
[0013]優(yōu)選的技術(shù)方案是:所述消息結(jié)構(gòu)設(shè)置有消息源、消息目的、消息類型和消息內(nèi)容四個(gè)字段；消息內(nèi)容字段是消息傳遞的主體，其中存放著可變長度的消息；消息類型字段用于判斷消息類型以解析消息內(nèi)容的含義；消息源和消息目的字段用于SystemC模塊進(jìn)行路由選擇。
[0014]優(yōu)選的技術(shù)方案是:所述協(xié)作位置包括發(fā)送中斷處和接收中斷處。
[0015]優(yōu)選的技術(shù)方案是:所述消息源類別包括外部中斷、內(nèi)部中斷和核間中斷，其中內(nèi)部中斷和核間中斷均為QEMU模塊的執(zhí)行線程發(fā)出，而外部中斷是QEMU的IO線程發(fā)出的。
[0016]優(yōu)選的技術(shù)方案是:所述SystemC模塊采用輪詢機(jī)制架構(gòu)或者分發(fā)激勵(lì)機(jī)制架構(gòu)；其中輪詢機(jī)制架構(gòu)中每一個(gè)SystemC編寫的模塊的地位是相等的,都接收和發(fā)送消息；每個(gè)SystemC模塊從其對應(yīng)的QEMU模塊的協(xié)作位置發(fā)送的通道中讀取消息。
[0017]優(yōu)選的技術(shù)方案是:所述分發(fā)激勵(lì)機(jī)制架構(gòu)通過設(shè)置SystemC編寫的專用模塊用于消息的接收，然后該專用模塊將此消息分發(fā)給消息發(fā)送源對應(yīng)的SystemC模塊。
[0018]優(yōu)選的技術(shù)方案是:所述通信模塊使用一個(gè)自定義的共享內(nèi)存分配器管理共享內(nèi)存區(qū)域，負(fù)責(zé)共享內(nèi)存區(qū)域的初始化、分配和釋放工作。
[0019]優(yōu)選的技術(shù)方案是:所述通信模塊中共享內(nèi)存區(qū)域存放的地址是相對地址，相對地址的基點(diǎn)是共享內(nèi)存區(qū)域的首地址。
[0020]優(yōu)選的技術(shù)方案是:所述分配器從start字段指向的域到end字段指向的域維持一個(gè)隱式空閑鏈表，所屬隱式空閑鏈表用于組織待分配的內(nèi)存區(qū)域，其中first字段和last字段分別執(zhí)行隱式空閑鏈表的首節(jié)點(diǎn)和尾節(jié)點(diǎn)。
[0021]優(yōu)選的技術(shù)方案是:基于QEMU和SystemC的多核仿真器可以是基于QEMU和SystemC的片上網(wǎng)絡(luò)多核仿真器。該基于QEMU和SystemC的多核仿真器是通過QEMU與SystemC的互連,在此基礎(chǔ)上形成仿真器框架,可用于對體系結(jié)構(gòu)某一部分的仿真。
[0022]本發(fā)明選擇QEMU作為基礎(chǔ)平臺,利用SystemC的可擴(kuò)展性和層次性,建立了基于QEMU和SystemC的多核仿真器框架，該仿真器解決了功能仿真器仿真精度較弱、性能仿真器仿真速度較慢和多體系結(jié)構(gòu)支持較弱的問題。
[0023]相對于現(xiàn)有技術(shù)中的方案，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:
[0024]本發(fā)明技術(shù)方案可以充分利用QEMU的高性能和對多體系結(jié)構(gòu)的支持性，同時(shí)可以靈活的編輯和配置需要仿真的硬件設(shè)備。這樣可運(yùn)行完整的操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序，作為一個(gè)方法可對SystemC所描述的部件進(jìn)行研究和測試，可以達(dá)到與QEMU (開啟TCG后)相當(dāng)級別的性能。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步描述:
[0026]圖1為本發(fā)明基于QEMU和SystemC的多核仿真器的架構(gòu)圖。
[0027]圖2為本發(fā)明基于QEMU和SystemC的多核仿真器消息通道使用圖。
[0028]圖3為本發(fā)明基于QEMU和SystemC的多核仿真器共享內(nèi)存區(qū)域訪問模式圖。
[0029]圖4為本發(fā)明基于QEMU和SystemC的多核仿真器共享內(nèi)存區(qū)域使用分配圖。[0030]圖5為本發(fā)明基于QEMU和SystemC的多核仿真器隱式空閑鏈表塊結(jié)構(gòu)圖。
[0031]圖6為本發(fā)明基于QEMU和SystemC的多核仿真器共享內(nèi)存地址訪問模式圖。
【具體實(shí)施方式】
[0032]以下結(jié)合具體實(shí)施例對上述方案做進(jìn)一步說明。應(yīng)理解，這些實(shí)施例是用于說明本發(fā)明而不限于限制本發(fā)明的范圍。實(shí)施例中采用的實(shí)施條件可以根據(jù)具體廠家的條件做進(jìn)一步調(diào)整，未注明的實(shí)施條件通常為常規(guī)實(shí)驗(yàn)中的條件。
[0033]實(shí)施例
[0034]如圖1所示,基于QEMU和SystemC的多核仿真器的結(jié)構(gòu)包括QEMU模塊、SystemC模塊和進(jìn)程間通信模塊(簡稱通信模塊)三個(gè)部分。
[0035]一、QEMU 模塊:
[0036]QEMU模塊基本采用QEMU原有實(shí)現(xiàn)。為了使用SystemC模塊，它通過通信模塊與SystemC模塊進(jìn)行通信,其協(xié)作模式如下:
[0037](I)協(xié)作位置。協(xié)作位置包含所有需要使用SystemC模塊進(jìn)行仿真的位置，若如圖1中實(shí)現(xiàn)的簡單片上互連為例，則會在以下位置調(diào)用通信模塊:
[0038]a.發(fā)送中斷處。該處指所有發(fā)送中斷消息的代碼，在QEMU主要聚束為一個(gè)函數(shù)，但不限于此。
[0039]b.接收中斷處。該處指所有接收中短消息的代碼，在QEMU中主要表現(xiàn)為執(zhí)行單元每個(gè)執(zhí)行周期之前的中斷檢測，但不限于此。
[0040](2)協(xié)作方式。協(xié)作方式包括通道劃分、消息結(jié)構(gòu)和調(diào)用源區(qū)分三個(gè)關(guān)鍵特征:
[0041]a.通道劃分。對通信模塊進(jìn)行劃分，不同的通道傳遞不同的信息，如圖2所示。
[0042]b.消息結(jié)構(gòu)。消息結(jié)構(gòu)包括消息源、消息目的、消息類型和消息內(nèi)容四個(gè)部分。消息內(nèi)容字段是消息傳遞的主體，其中存放著可變長度的消息；消息類型字段用于判斷消息類型以解析消息內(nèi)容的含義；消息源和消息目的字段用于SystemC進(jìn)行路由選擇。
[0043]c.消息源區(qū)分。協(xié)作時(shí)在將傳遞的消息實(shí)體中注明消息源，QEMU中的消息源可歸納為外部中斷、內(nèi)部中斷和核間中斷三類。其中內(nèi)部中斷和核間中斷均為執(zhí)行線程本身發(fā)出，而外部中斷是IO線程發(fā)出的。本實(shí)施例仿真器中首先通過線程編號區(qū)分是否是外部中斷，再通過一個(gè)線程局部變量區(qū)分是核間中斷還是內(nèi)部中斷。
[0044]QEMU模塊會調(diào)用進(jìn)程間模塊，因此QEMU模塊與通信模塊的關(guān)系是調(diào)用與被調(diào)用的關(guān)系。
[0045]二、SystemC 模塊:
[0046]SystemC模塊仿真硬件的細(xì)節(jié)。本發(fā)明仿真器系統(tǒng)提供的是一個(gè)實(shí)現(xiàn)框架，并實(shí)現(xiàn)了簡單互連模塊。故該部分SystemC模塊的介紹以互連模塊為例，它包括以下關(guān)鍵特征:
[0047](I)SystemC模塊與通信模塊的協(xié)作。SystemC模塊在調(diào)用通信模塊時(shí)采用非阻塞機(jī)制，防止SystemC線程死鎖。
[0048](2) SystemC模塊架構(gòu)。SystemC是C++的類庫,而SystemC又有自己的一套仿真機(jī)制和線程實(shí)現(xiàn)機(jī)制?；赟ystemC的特點(diǎn)，本發(fā)明包括“輪詢機(jī)制”和“分發(fā)激勵(lì)機(jī)制”兩種架構(gòu)。
[0049]a.輪詢機(jī)制。每一個(gè)SystemC模塊的地位是相等的，都可接收和發(fā)送消息。每個(gè)SystemC模塊從其對應(yīng)的QEMU某處發(fā)送的通道中讀取消息。
[0050]b.分發(fā)激勵(lì)機(jī)制。該機(jī)制設(shè)置一個(gè)專門的SystemC模塊用于消息的接收，接著再將此消息分發(fā)給消息發(fā)送源對應(yīng)的SystemC模塊。
[0051]三、進(jìn)程間通信模塊(通信模塊):
[0052]QEMU與SystemC模塊間的聯(lián)系是通過進(jìn)程間通信模塊實(shí)現(xiàn)的。在本實(shí)施例仿真器系統(tǒng)中，進(jìn)程間通信模塊作為一個(gè)子模塊為QEMU模塊和SystemC模塊共同使用。進(jìn)程間通信模塊共享內(nèi)存實(shí)現(xiàn)。
[0053]共享內(nèi)存的并不是直接使用的。在本實(shí)施例仿真器系統(tǒng)中，使用一個(gè)自定義的共享內(nèi)存分配器用于管理共享內(nèi)存區(qū)域，其特征如下:
[0054]1.分配器維持著一片連續(xù)的共享內(nèi)存，它負(fù)責(zé)共享內(nèi)存區(qū)域的初始化、分配和釋放工作。分配器的基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存放在共享內(nèi)存中，進(jìn)程初始化共享內(nèi)存時(shí)，會檢測共享內(nèi)存是否存在該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如果存在，則從共享內(nèi)存對應(yīng)的域中載入到當(dāng)前進(jìn)程的結(jié)構(gòu)體中，否則創(chuàng)建該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并把內(nèi)存分配器數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)記錄在共享內(nèi)存對應(yīng)的地址處(如圖3所示)。
[0055]2.共享內(nèi)存的區(qū)域的分配如圖4所示。分配器從start字段指向的域到end字段指向的域維持著一個(gè)隱式空閑鏈表，它用于組織待分配的內(nèi)存區(qū)域。first字段和last字段分別執(zhí)行隱式空閑鏈表的首節(jié)點(diǎn)和尾節(jié)點(diǎn)。隱式空閑鏈表一個(gè)塊的一般結(jié)構(gòu)如圖5所
/Jn ο
[0056]3.共享內(nèi)存區(qū)域存放的地址是相對地址，這是因?yàn)椴煌M(jìn)程將某一段共享內(nèi)存區(qū)域映射到的自身虛擬地址空間的地址很可能不同，同一進(jìn)程兩次映射到的虛擬地址空間也可能不同。因此在共享內(nèi)存區(qū)域上實(shí)現(xiàn)的內(nèi)存分配器和其它數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)均應(yīng)使用相對地址。相對地址的基點(diǎn)是共享內(nèi)存區(qū)域的首地址，一個(gè)典型的共享內(nèi)存的地址訪問模式如圖6所
/Jn ο
[0057]4.消息通道的實(shí)現(xiàn)建立在共享內(nèi)存分配器之上。消息通道維持著多個(gè)隊(duì)列，每個(gè)隊(duì)列用于一個(gè)通道的通信，通道的劃分由使用者決定。
[0058]QEMU和SystemC模塊在需要通信時(shí)，調(diào)用進(jìn)程間通信模塊進(jìn)行通信。不同的通道在調(diào)用時(shí)應(yīng)在QEMU和SystemC的調(diào)用處使用ID標(biāo)識不同的調(diào)用者，以便能夠調(diào)用正確的通道。
[0059]本發(fā)明中，消息通道是QEMU模塊和SystemC模塊的協(xié)同子模塊，其實(shí)施步驟如下:
[0060](I) QEMU模塊中調(diào)用消息通道之前對消息通道初始化。
[0061](2) SystemC模塊中調(diào)用消息通道之前對消息通道初始化。
[0062](3)在QEMU模塊和SystemC模塊中的調(diào)用消息通道。
[0063]其中的技術(shù)細(xì)節(jié)如下:
[0064](I)將多個(gè)隊(duì)列結(jié)構(gòu)封裝為消息通道。隊(duì)列采用鏈表實(shí)現(xiàn)，鏈表節(jié)點(diǎn)是包含數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)，對隊(duì)列可進(jìn)行初始化、入隊(duì)、出隊(duì)操作。消息通道封裝隊(duì)列的結(jié)構(gòu)和操作，可根據(jù)通道數(shù)操作具體的某個(gè)隊(duì)列。
[0065](2)使用基于共享內(nèi)存分配器代替消息通道中傳統(tǒng)的動態(tài)內(nèi)存分配器。消息通道中所有調(diào)用動態(tài)內(nèi)存分配器的位置均替換為本發(fā)明中的動向內(nèi)存分配器。消息通道被QEMU模塊和SystemC模塊調(diào)用，其數(shù)據(jù)可被兩個(gè)模塊同時(shí)訪問。進(jìn)行替代修改時(shí)，所有的存儲于共享內(nèi)存上數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的指針類型均采用相對地址實(shí)現(xiàn)，所有對相對地址指向內(nèi)存區(qū)域的訪問均應(yīng)轉(zhuǎn)換為絕對地址進(jìn)行訪問。
[0066]進(jìn)行網(wǎng)上互連時(shí)，本實(shí)施例仿真器的仿真實(shí)施步驟如下:
[0067](I)配置QEMU仿真器CPU的仿真核心數(shù)。
[0068](2)根據(jù)(I)中的核心數(shù)，配置SystemC模塊的核心數(shù)。
[0069](3)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)路由算法。本實(shí)施例仿真器在發(fā)明過程中采用簡單的環(huán)形路由算法，亦可采用其它路由算法。
[0070](4)編譯實(shí)現(xiàn)的SystemC模塊。
[0071](5)先后啟動互連模塊和QEMU模塊進(jìn)行仿真。
[0072]本實(shí)施例仿真器系統(tǒng)在宿主機(jī)上進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，用于測試基本實(shí)施例系統(tǒng)(非擴(kuò)展)的正確性，并將本仿真器與原生QEMU進(jìn)行性能對比。系統(tǒng)的測試環(huán)境如表1所示。
[0073]表1系統(tǒng)測試環(huán)境
[0074]
【權(quán)利要求】
1.一種基于QEMU和SystemC的多核仿真器，其特征在于所述仿真器包括: QEMU模塊，用于模擬片上網(wǎng)絡(luò)上每個(gè)處理器； SystemC模塊，用于仿真片上網(wǎng)絡(luò)上硬件的具體細(xì)節(jié)，根據(jù)硬件接口構(gòu)建仿真片上網(wǎng)絡(luò)的硬件互連模塊，模塊之間通過端口和信號進(jìn)行連接和通訊； 通信模塊，采用共享內(nèi)存機(jī)制，用于QEMU模塊和SystemC模塊進(jìn)行通訊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多核仿真器，其特征在于所述QEMU模塊設(shè)置與SystemC模塊協(xié)作的中斷處理子模塊，所述中斷處理子模塊用于設(shè)置協(xié)作位置、通道劃分、消息結(jié)構(gòu)和消息源類別。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多核仿真器，其特征在于所述消息結(jié)構(gòu)設(shè)置有消息源、消息目的、消息類型和消息內(nèi)容四個(gè)字段；消息內(nèi)容字段是消息傳遞的主體，其中存放著可變長度的消息；消息類型字段用于判斷消息類型以解析消息內(nèi)容的含義；消息源和消息目的字段用于SystemC模塊進(jìn)行路由選擇。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多核仿真器，其特征在于所述協(xié)作位置包括發(fā)送中斷處和接收中斷處。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多核仿真器，其特征在于所述消息源類別包括外部中斷、內(nèi)部中斷和核間中斷，其中內(nèi)部中斷和核間中斷均為QEMU模塊的執(zhí)行線程本身發(fā)出，而外部中斷是IO線程發(fā)出的。
6.根據(jù)權(quán)利要求 1所述的多核仿真器，其特征在于所述SystemC模塊采用輪詢機(jī)制架構(gòu)或者分發(fā)激勵(lì)機(jī)制架構(gòu)；其中輪詢機(jī)制架構(gòu)中每一個(gè)SystemC編寫的模塊的地位是相等的，都接收和發(fā)送消息；每個(gè)SystemC模塊從其對應(yīng)的QEMU模塊的協(xié)作位置發(fā)送的通道中讀取消息。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多核仿真器，其特征在于所述分發(fā)激勵(lì)機(jī)制架構(gòu)通過設(shè)置SystemC編寫的專用模塊用于消息的接收，然后該專用模塊將此消息分發(fā)給消息發(fā)送源對應(yīng)的SystemC模塊。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多核仿真器，其特征在于所述通信模塊使用一個(gè)自定義的共享內(nèi)存分配器管理共享內(nèi)存區(qū)域，負(fù)責(zé)共享內(nèi)存區(qū)域的初始化、分配和釋放工作。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的多核仿真器，其特征在于所述通信模塊中共享內(nèi)存區(qū)域存放的地址是相對地址，相對地址的基點(diǎn)是共享內(nèi)存區(qū)域的首地址。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的多核仿真器，其特征在于所述分配器從start字段指向的域到end字段指向的域維持一個(gè)隱式空閑鏈表，所屬隱式空閑鏈表用于組織待分配的內(nèi)存區(qū)域，其中first字段和last字段分別執(zhí)行隱式空閑鏈表的首節(jié)點(diǎn)和尾節(jié)點(diǎn)。
【文檔編號】G06F17/50GK103902767SQ201410111818
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年3月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月24日
【發(fā)明者】吳俊敏, 虎嘯, 趙小雨 申請人:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)蘇州研究院