基于FPGA的虚拟平台硬件仿真加速单元的设计

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1、硕士学位论文基于FPGA的虚拟平台硬件仿真加速单元的设计FPGA-BASEDVIRTUALPLATFORMHARDWARESIMULATIONACCELERATIONUNITDESIGN吴楠哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：TN47学校代码：10213国际图书分类号：654.9密级：公开工学硕士学位论文基于FPGA的虚拟平台硬件仿真加速单元的设计硕士研究生：吴楠导师：王进祥教授申请学位：工学硕士学科：微电子学与固体电子学所在单位：航天学院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TN47

2、U.D.C:654.9DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringFPGA-BASEDVIRTUALPLATFORMHARDWARESIMULATIONACCELERATIONUNITDESIGNCandidate：WuNanSupervisor：Prof.WangJinxiangAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：MicroelectronicsandSolid-StateElectronicsAffiliation：Sc

3、hoolofAstronauticsDateofDefence：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要随着集成电路设计技术和制造工艺的不断发展，片上系统的复杂度和规模也越来越大。传统的硬件与软件串行开发的方式已经难以满足上市时间的需求，虚拟平台为软硬件的协同开发提供了可行性方案，通过使用高抽象层次语言对硬件进行建模，不仅可以实现系统架构的探索等工作，而且可以利用该模型进行软件的开发，实现软件与硬件设计的并行开发，

4、缩短了产品上市时间。虚拟平台主要关注系统的功能一致性，在行为一致性与速度方面与真实硬件还是有一定的差距。而FPGA在硬件仿真方面具有高效性和真实性，因此虚拟平台与FPGA单元的结合可以提供更加丰富的功能，具有重要研究意义。本文将模拟器QEMU和FPGA单元结合形成一个混合的虚拟平台，利用千兆以太网实现两者之间的高速通信。该平台的设计主要分为两个部分：模拟器QEMU作为虚拟平台的主体部分，可实现对CPU、总线、存储器以及各种外设的建模，设计了一个接口设备来代表FPGA单元，并利用RawSocket来实现与FPGA的事务传输；FPGA端通过搭

5、建SoPC来实现对目标IP核的控制与通信，硬件部分包括控制单元和用户自定义的逻辑单元，控制单元的软件环境实现了对以太网数据帧的收发、解析与处理过程。最后本文为该虚拟平台设计了一种配置机制，利用设备树来描述硬件并使用协程的机制来对其进行分析，完成对虚拟平台各个设备的初始化和配置过程。本文最后对该虚拟平台进行基本的功能验证和性能测试。使用设备树描述了一个完整的系统并能够成功启动，该系统以QEMU为主控部分，包括CPU、总线、内存、UART、中断控制器等设备的模拟，FPGA单元添加图像编解码器等用户逻辑作为目标IP核。结果表明，该虚拟系统正常运

6、行，可实现对RTL描述的目标IP核实现基于系统的仿真，并且相比于软件仿真器，对于复杂的运算IP具有明显的仿真加速效果。关键词：虚拟平台；FPGA；QEMU；以太网；系统配置I哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractWiththecontinuousdevelopmentofintegratedcircuitdesigntechnologiesandmanufacturingprocesses,thecomplexityandscaleofon-chipsystemsarealsoincreasing.Traditionalseria

7、ldevelopmentmethodsofhardwareandsoftwarehavebeendifficulttomeetthetime-to-marketrequirements.Thevirtualplatformprovidesafeasiblesolutionforthecollaborativedevelopmentofhardwareandsoftware.Byusingahighabstractionlevellanguagetomodelthehardware,notonlycanthesystemarchitectu

8、rebeexplored,andcanusethemodelofthehardwaretodevelopsoftware.Paralleldevelopmentofhardwareandsof