研讨仿真基于PowerPCH.264编码核虚拟仿真平台构建与运用

论文导读：
摘要：构建了基于PowerP40处理器的H.264编码核软硬件协同验证平台。该平台设计方法，在统一平台架构下支持Fast和Slow两种模式的虚拟原型仿真，兼顾了仿真速度和精度的要求。平台中提供了完整的开发工具和基础架构，支持以C语言测试程序作为输入的验证流程自动化，可有效地提高验证效率。
关键词：PowerP40处理器 H.264编码核 软硬件协同验证平台
1007-9416（2013）05-0069-02
1 引言
视频信息直观、确切、高效、广泛，所以信息量较大，H.264编码核就是专门针对视频数据设计的SoC（System on Chip片上系统）。为了有效的应用和传输视频数据，就必须解决视频压缩编码及压缩后质量保证的问题，因此该款SoC的硬件设计非常复杂，如何快速有效的对其进行验证，是一个非常大的难题。
随着SoC系统复杂性的不断增加，使得软硬件协同验证方法在系统设计中得到了更多的重视。进行软硬件协同验证需要搭建验证平台，基于验证平台的软硬件协同验证关键在于权衡验证精度和仿真速度。目前多数软硬件协同验证平台只专注于提高仿真速度，但对于细节的屏蔽却不利于发现硬件设计中掩藏的错误。解决这种矛盾的一种方法在于构建一个统一的验证系统，但调用不同的处理器模型。基于这种思想，构建了一种基于PowerP40处理器的软硬件协同验证平台，此平台支持支持Fast和Slow两种类型的运行模式，能有效地解决上述矛盾。
2 软硬件协同验证技术
软硬件协同验证技术是在设计早期就进行软件和硬件的协同验证，用以验证系统软硬件功能的正确性和性能的高效性。运用软硬件协同验证技术，系统硬件设计和软件开发能够尽最大可能同步运行，软件工程师可以在已开发的硬件上执行引导代码、设备驱动，以及应用程序等，硬件设计人员可以使用真实的应用软件产生测试激励，使验证工作能够更接近实际应用环境，有利于发现系统的设计错误，降低设计风险。
3 软硬件协同验证平台

3.1 基本原理

需要构建一个虚拟原型验证平台，对H.264编码核进行软硬件协同验证。虚拟原型验证平台通过开发相应的总线功能模型（BFM）来模拟芯片实际工作时的周边元件，处理器单元采用PowerP40处理器的指令集仿真模型代替，片上存储器单元采用存储器模型，其余IP模块全部为RTL代码设计。将编译链接生成的映像文件加载到相应的存储器模型中，使处理器模型可以从中取指执行，从而达到模拟芯片内部的工作过程，以便进行各项验证工作。利用这种方法，系统软件和硬件都在与实际环境相近的状态下运行，从而保证验证的准确性和可靠性。虚拟原型验证平台示意图如图1所示。

3.2 验证平台的搭建

基于软硬件协同验证平台的基本原理，设计的验证平台结构如图2所示。
基于该验证平台，构建了两种运行模式：快速（Fast）模式、慢速（Slow）模式，为了使系统得到更充分的验证，这两种运行模式反复迭代使用。
快速（Fast）模式：即BFM（Bus-functional model）模式，在该模式下仿真平台中使用虚拟的处理器总线功能模型代替真实的处理器执行软件代码，所以系统验证精确度不高，只适用于软件开发阶段。
慢速（Slow）模式：与快速模式相比，该模式中使用了实际的处理器模型，代码的镜像被加载到存储器模型中，使H.264编码芯片内部的PowerP40处理器模型可从中取指执行，从而达到较为真实的模拟芯片内部的工作过程。使用实际的处理器模型比使用处理器总线摘自：毕业论文提纲格式www.7ctime.com
功能模型精确度高，但运行速度较慢。
依据这两种模式的特性，首先基于Fast模式进行除了处理器模块之外的所有模块的功能验证，可以同步单独对处理器模块进行验证，确认处理器功能正确后，在慢速模式下对系统各个模块进行验证，包括处理器模块在内的所有模块。采取这样的验证措施，不仅能够快速验证系统功能，而且方便除错。
4 验证平台应用
应用搭建好的虚拟原型验证平台，基于帧编码和场编码对系统进行验证：
视频的一场或一帧可用来产生一个编码图像，视频帧也分为两种类型：连续或隔行的视频帧。隔行视频帧将一帧分为两个隔行的场，显然场内邻行之间的时间相关性较强，对活动量较大的运动论文导读：活动量较小或静止的图像宜采用帧编码方式。图3和图4分别是基于虚拟原型验证平台进行帧编码和场编码产生的仿真波形，从波形可以看出在帧编码模式下，当编码核将一帧中所有宏块行编码完成后，产生图像结束中断，并刷新缓冲区以及输出编好的码流，并输入新帧数据；而在场编码情形下，编码核将一帧图像分为奇偶两场，编码核按场编码
图像则宜采用场编码方式。而逐行视频帧内邻行之间的空间相关性较强，因此活动量较小或静止的图像宜采用帧编码方式。
图3和图4分别是基于虚拟原型验证平台进行帧编码和场编码产生的仿真波形，从波形可以看出在帧编码模式下，当编码核将一帧中所有宏块行编码完成后，产生图像结束中断，并刷新缓冲区以及输出编好的码流，并输入新帧数据；而在场编码情形下，编码核将一帧图像分为奇偶两场，编码核按场编码，当一场的所有宏块行编码完成后产生一次图像结束中断，而只有当两场都完成后，编码核才会冲刷缓冲区输出码流，并有新帧进入。
5 结语
文中提出了一种基于H.264标准的芯片虚拟原型验证平台的构建方法，以及软硬件协同验证及应用验证过程。该仿真平台能够有效地验证芯片的系统功能，快速定位设计中存在的问题，提高验证效率，缩短开发周期，最终流片结果也进一步证明了该方法的正确性，对类似芯片设计具有一定的参考价值。
参考文献
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