來源：微計算機信息  作者：李昳垚 李紅兵 金惠華

摘要：本文介紹一種ADSP-2106x DSPs (數(shù)字信號處理器, Digital Signal Processors)的軟件仿真器(ADSPSim)。在此仿真器構(gòu)架過程中，面向?qū)ο蠓抡婕夹g(shù)的使用大大改善了軟件的模塊化、可重用性和靈活性，更加體現(xiàn)了軟件仿真器在實現(xiàn)軟硬件協(xié)同設(shè)計開發(fā)和早期測試過程中的優(yōu)勢。

關(guān)鍵字：軟件仿真，指令集仿真器，ADSP-2106x，超級哈佛體系結(jié)構(gòu)計算機，數(shù)字信號處理器

1 引言

DSPs(數(shù)字信號處理器)在航空航天工程等領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用，為實現(xiàn)早期測試，仿真器的使用提供了建立嵌入式系統(tǒng)軟硬件協(xié)同測試環(huán)境的可能。仿真器可分為軟件仿真器(Simulator)和硬件仿真器 (Emulator)兩類，而軟件仿真器比較硬件仿真器有著不可替代的優(yōu)勢：

(1) 開發(fā)人員能在獲得實際硬件原型前，能快速評價目標機軟、硬件特性，實現(xiàn)硬件和軟件并行設(shè)計開發(fā)，并縮短嵌入式軟件的開發(fā)周期，盡早發(fā)現(xiàn)軟件中的缺陷，降低開發(fā)成本；
(2) 軟件仿真器具有高度的靈活性，可獨立對CPU進行深入分析，或可用于對整個系統(tǒng)進行建模。還可輕松地進行重新配置，可與各種存儲器或外設(shè)相集成。這樣就可以對整個嵌入式系統(tǒng)的正確性進行驗證。
(3) 由于軟件仿真器能夠反復地運行相同的仿真過程，便于在對軟件進行調(diào)試、測試過程中，控制與分析應(yīng)用程序運行及仿真環(huán)境的狀態(tài)，并可以采集到大量的調(diào)試數(shù)據(jù)。

軟件仿真器一般都是在ISA(指令集體系結(jié)構(gòu))級對系統(tǒng)進行仿真的，本文也不例外，也就是所說的指令集仿真器。

指令集仿真器的實現(xiàn)方法有兩大類：一類是解釋型指令集仿真器，將應(yīng)用程序裝載入仿真的存儲器中，在運行時模擬“取指(fetch)-譯碼(decode)-執(zhí)行(execute)”的流水對每條目標指令進行解釋，將結(jié)果存入仿真的寄存器或存儲器中。另一類是編譯型指令集仿真器，又可細分為基于靜態(tài)編譯與基于動態(tài)編譯兩類，其原理是將目標機的指令直接翻譯為能實現(xiàn)相應(yīng)功能的宿主機上的指令/指令塊，翻譯在編譯時實現(xiàn)為基于靜態(tài)編譯的指令仿真器，在裝載時才實現(xiàn)為基于動態(tài)編譯的指令仿真器。解釋型指令集仿真器仿真速度比較慢，但由于是對指令的逐條解釋，可以提供對執(zhí)行應(yīng)用程序的很方便的控制；而編譯指令集仿真器雖然有較高的仿真速度，但由于對源程序進行了反編譯后又進行了優(yōu)化，已經(jīng)丟失了原來的用戶程序與高級語言的對應(yīng)關(guān)系。解釋型指令集仿真器提供了調(diào)試運行仿真器的可能，更利于嵌入式軟件測試，因此本文中的指令集仿真器的實現(xiàn)采用此類方式。

隨著面向?qū)ο蠹夹g(shù)的成熟，仿真軟件已經(jīng)朝著可互操作性、可重用性、面向?qū)ο蟮内厔莅l(fā)展，面向?qū)ο蠓抡? Object-Oriented Simulation )已成為當前仿真研究領(lǐng)域最為活躍的研究方向之一。本文中的軟件仿真器ADSPSim在構(gòu)架上也采用了面向?qū)ο蟮姆抡婕夹g(shù)。

2 ADSP-2106x SHARC DSPs簡介

ADSP-2106x是AD公司的第二代32位浮點數(shù)字信號處理器，AD稱之為SHARC(Super Harvard Architecture Computer，超級哈佛結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu)計算機)。目前包括四種產(chǎn)品：ADSP-21060、ADSP-21061、ADSP-21062、ADSP-21065L。

2.1 ADSP-2106x體系結(jié)構(gòu)概述
和馮諾伊曼結(jié)構(gòu)不同，哈佛結(jié)構(gòu)使用分離的數(shù)據(jù)和程序空間及分類的訪問總線。而改進的超級哈佛結(jié)構(gòu)的超級之處在于允許在程序存儲器(PM)中同時存放數(shù)據(jù)和指令(可靈活配置)。再輔以獨立劃分的片內(nèi)總線(分別用于PM和DM, 數(shù)據(jù)存儲器)和指令高速緩存，很好地解決了在執(zhí)行雙數(shù)據(jù)存取的指令時，當需要從PM中讀寫數(shù)據(jù)而產(chǎn)生的使用PM數(shù)據(jù)總線的沖突。當?shù)谝淮伟l(fā)生使用PM數(shù)據(jù)總線的沖突時，處理器會將指令存放在高速緩存中，當再次使用該指令時，處理器就可以一次性完成從高速緩存中取指令，從DM和PM同時取數(shù)據(jù)的并行操作。ADSP-2106x的詳細體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

 
圖1 ADSP-2106x 組成框圖

2.2 ADSP-2106x指令系統(tǒng)概述
ADSP-2106x指令系統(tǒng)具有RISC(精簡指令系統(tǒng))指令長度一致、單周期執(zhí)行時間、易于并行和流水線處理的特點，可以分為四大類：計算并存取指令，程序流控制指令，立即數(shù)尋址存取指令，及其它指令。又可按照操作碼細分為24小類。值得指出的是，其中大多數(shù)指令包含指定計算操作的域。ADSP-2106x指令固定長度為48位，若包含計算操作域，則低0～22位固定為計算操作指令。詳細指令集見附錄A&B。

正是由于計算指令與存取或跳轉(zhuǎn)指令可以合并在一條指令中譯碼執(zhí)行，ADSP-2106x擁有一個高性能的計算內(nèi)核，它