हार्डवेयर अनुकरण

एकीकृत सर्किट डिजाइन में, हार्डवेयर इम्यूलेशन हार्डवेयर के एक या एक से अधिक टुकड़ों (आमतौर पर डिजाइन के तहत एक सिस्टम) के हार्डवेयर के दूसरे टुकड़े के साथ व्यवहार की नकल करने की प्रक्रिया है, आमतौर पर एक विशेष उद्देश्य इम्यूलेशन सिस्टम। इम्यूलेशन मॉडल आमतौर पर हार्डवेयर विवरण भाषा (जैसे  Verilog ) स्रोत कोड पर आधारित होता है, जिसे इम्यूलेशन सिस्टम द्वारा उपयोग किए जाने वाले प्रारूप में संकलित किया जाता है। लक्ष्य सामान्य रूप से डिजाइन किए जा रहे सिस्टम का डिबगिंग और  कार्यात्मक सत्यापन  है। अक्सर एक एम्यूलेटर इतना तेज़ होता है कि उसे अभी तक बनने वाली चिप के स्थान पर कार्य लक्ष्य प्रणाली में प्लग किया जा सकता है, इसलिए पूरे सिस्टम को लाइव डेटा के साथ डिबग किया जा सकता है। यह  इन-सर्किट एमुलेटर  | इन-सर्किट एमुलेशन का एक विशिष्ट मामला है।

कभी-कभी हार्डवेयर इम्यूलेशन को हार्डवेयर उपकरणों के साथ भ्रमित किया जा सकता है जैसे हार्डवेयर प्रोसेसर के साथ विस्तार कार्ड जो सॉफ़्टवेयर इम्यूलेशन के कार्यों में सहायता करते हैं, जैसे कि x86 चिप्स के साथ पुराने बेटीबोर्ड x86 OSes को विभिन्न प्रोसेसर परिवारों के मदरबोर्ड पर चलाने की अनुमति देते हैं।

परिचय
सिलिकॉन एकीकृत परिपथ  रेस्पिन और स्टेपिंग स्तर का सबसे बड़ा हिस्सा कम से कम कार्यात्मक त्रुटियों और बग के कारण अनजाने में डिजाइन प्रक्रिया के  रजिस्टर-स्थानांतरण स्तर  के चरण में पेश किया गया है। इस प्रकार, व्यापक कार्यात्मक सत्यापन विकास लागत को कम करने और उत्पाद को समय पर वितरित करने की कुंजी है। एक डिज़ाइन का कार्यात्मक सत्यापन अक्सर तर्क सिमुलेशन और/या FPGA प्रोटोटाइप का उपयोग करके किया जाता है |  क्षेत्र में प्रोग्राम की जा सकने वाली द्वार श्रंखला  (FPGAs) पर प्रोटोटाइप। प्रत्येक के फायदे और नुकसान हैं और अक्सर दोनों का उपयोग किया जाता है।  तर्क अनुकरण  आसान, सटीक, लचीला और कम लागत वाला है। हालांकि, सिमुलेशन अक्सर बड़े डिज़ाइनों के लिए पर्याप्त तेज़ नहीं होता है और हार्डवेयर डिज़ाइन के विरुद्ध एप्लिकेशन सॉफ़्टवेयर चलाने के लिए लगभग हमेशा धीमा होता है। फील्ड-प्रोग्रामेबल गेट ऐरे-आधारित प्रोटोटाइप तेज और सस्ते होते हैं, लेकिन कई FPGAs में एक बड़े डिजाइन को लागू करने के लिए आवश्यक समय बहुत लंबा हो सकता है और त्रुटि-प्रवण होता है। डिज़ाइन की खामियों को ठीक करने के लिए परिवर्तनों को लागू करने में भी लंबा समय लगता है और इसके लिए बोर्ड वायरिंग में बदलाव की आवश्यकता हो सकती है। पारंपरिक विक्रेता उपकरणों के साथ, FPGA प्रोटोटाइप में डिबगिंग क्षमता कम होती है, वास्तविक समय में FPGAs के अंदर संकेतों की जांच करना बहुत मुश्किल होता है, और जांच को स्थानांतरित करने के लिए FPGAs को फिर से संकलित करने में बहुत लंबा समय लगता है। यह अधिक उन्नत FPGA प्रोटोटाइप डिबग टूल के उद्भव के साथ बदल रहा है जो सिग्नल की दृश्यता की सीमाओं को हटाते हैं। सामान्य समझौता सत्यापन प्रक्रिया में सिमुलेशन का उपयोग करना है जब बग और फिक्स अक्सर होते हैं, और विकास चक्र के अंत में प्रोटोटाइप जब डिजाइन मूल रूप से पूर्ण होता है और किसी भी शेष सिस्टम-स्तरीय बग को उजागर करने के लिए पर्याप्त परीक्षण प्राप्त करने के लिए गति की आवश्यकता होती है. FPGA प्रोटोटाइप सॉफ्टवेयर परीक्षण के लिए भी लोकप्रिय है।

सिमुलेशन त्वरण एक हद तक सिमुलेशन के प्रदर्शन की कमियों को दूर कर सकता है। यहां डिज़ाइन को बहुत तेज़ी से चलाने के लिए हार्डवेयर त्वरक में मैप किया गया है और टेस्टबेंच (और कोई व्यवहारिक डिज़ाइन कोड) वर्कस्टेशन पर सिम्युलेटर पर चलता रहता है। एक उच्च-बैंडविड्थ, कम विलंबता चैनल टेस्टबेंच और डिज़ाइन के बीच सिग्नल डेटा का आदान-प्रदान करने के लिए कार्य केंद्र को त्वरक से जोड़ता है। Amdahl के नियम के अनुसार, श्रृंखला में सबसे धीमा उपकरण प्राप्त होने वाली गति को निर्धारित करेगा। आम तौर पर, यह सिम्युलेटर में टेस्टबेंच है। एक बहुत ही कुशल टेस्टबेंच (सी या लेनदेन-आधारित में लिखा गया) के साथ, चैनल बाधा बन सकता है। कुछ मामलों में, एक लेन-देन-स्तरीय टेस्टबेंच लाइव प्रोत्साहन के रूप में अनुकरण किए जा रहे डिज़ाइन को अधिक से अधिक डेटा फीड करने में सक्षम है।

इन-सर्किट इम्यूलेशन FPGA प्रोटोटाइप के कार्यान्वयन के समय में कुछ हद तक सुधार करता है, और एक व्यापक, कुशल डिबगिंग क्षमता प्रदान करता है। FPGA प्रोटोटाइप ($75K) की तुलना में इम्यूलेशन चलने की गति और उच्च लागत ($1M+) की कीमत पर ऐसा करता है। दूसरी दिशा से अनुकरण को देखते हुए, यह नकली टेस्टबेंच के लिए लाइव उत्तेजना को प्रतिस्थापित करके त्वरण के प्रदर्शन में सुधार करता है। यह प्रोत्साहन एक लक्ष्य प्रणाली (विकसित किया जा रहा उत्पाद), या परीक्षण उपकरण से आ सकता है। सिमुलेशन की गति से 10,000 से 100,000 गुना अधिक, इम्यूलेशन एक व्यापक हार्डवेयर डिबग वातावरण प्रदान करते हुए एप्लिकेशन सॉफ़्टवेयर का परीक्षण करना संभव बनाता है।

डिबगिंग सिमुलेशन बनाम इम्यूलेशन/प्रोटोटाइपिंग
यह ध्यान देने योग्य है कि अनुकरण और प्रोटोटाइप में निष्पादन की दो अलग-अलग शैलियाँ शामिल हैं। सिमुलेशन आरटीएल कोड को क्रमिक रूप से निष्पादित करता है जबकि एक प्रोटोटाइप पूरी तरह से समानांतर में निष्पादित होता है। इससे डिबगिंग में अंतर होता है। अनुकरण में:
 * उपयोगकर्ता एक ब्रेकपॉइंट सेट कर सकता है और डिजाइन स्थिति का निरीक्षण करने के लिए सिमुलेशन को रोक सकता है, डिजाइन के साथ बातचीत कर सकता है और सिमुलेशन फिर से शुरू कर सकता है।
 * उपयोगकर्ता "मध्य-चक्र" निष्पादन को रोक सकता है क्योंकि यह निष्पादित कोड के केवल एक भाग के साथ था।
 * उपयोगकर्ता किसी भी समय किसी भी मेमोरी लोकेशन की डिज़ाइन और सामग्री में कोई भी सिग्नल देख सकता है।
 * उपयोगकर्ता समय का बैकअप भी ले सकता है (यदि उन्होंने राज्य बचाओ  | चेकपॉइंट को सहेजा है) और फिर से चला सकते हैं।

एक प्रोटोटाइप के साथ: त्वरण और अनुकरण आरटीएल निष्पादन और डिबगिंग के संदर्भ में प्रोटोटाइप और सिलिकॉन की तरह अधिक हैं क्योंकि संपूर्ण डिजाइन एक साथ निष्पादित होता है जैसा कि सिलिकॉन में होगा। चूंकि एक ही हार्डवेयर का उपयोग अक्सर सिमुलेशन त्वरण और इन-सर्किट एमुलेशन दोनों प्रदान करने के लिए किया जाता है, ये सिस्टम इन दो बहुत अलग डिबगिंग शैलियों का मिश्रण प्रदान करते हैं।
 * उपयोगकर्ता दृश्यता के लिए एक तर्क विश्लेषक को नियुक्त करता है, और इसलिए केवल सीमित संख्या में सिग्नल देख सकता है जिसे उन्होंने समय से पहले निर्धारित किया था (जांच पर क्लिप करके)। यह उभरते हुए FPGA प्रोटोटाइप टूल के साथ बदल रहा है जो 10,000s आंतरिक संकेतों, जैसे Certus को पूर्ण दृश्यता प्रदान करते हैं।
 * लॉजिक एनालाइजर के ट्रिगर होने पर लक्ष्य नहीं रुकता है, इसलिए हर बार जब उपयोगकर्ता जांच या ट्रिगर की स्थिति बदलता है, तो उन्हें पर्यावरण को रीसेट करना होगा और शुरुआत से फिर से शुरू करना होगा।
 * अवलोकन के लिए विशिष्ट संकेत उपलब्ध कराने के लिए जांच को सीधे आरटीएल डिजाइन में जोड़ा जाता है। जब सिस्टम चलाया जाता है, तो प्रत्येक इंस्ट्रूमेंटेड सिग्नल से जुड़ी आरटीएल-आधारित जांच प्रत्येक घड़ी चक्र पर सिग्नल का मान एकत्र करती है। डेटा को FPGA ब्लॉक RAM में ट्रेस बफर में संग्रहीत किया जाता है। प्रोटोटाइप से जुड़ा एक विश्लेषक उपयोगकर्ता को प्रभावी डिबग के लिए सिस्टम में ऑफ़लाइन दृश्यता देने वाली जानकारी को डाउनलोड करता है।

उच्च अंत हार्डवेयर एमुलेटर कई विशेषताओं के साथ एक डिबगिंग वातावरण प्रदान करते हैं जो लॉजिक सिमुलेटर में पाए जा सकते हैं, और कुछ मामलों में उनकी डिबगिंग क्षमताओं से भी आगे निकल जाते हैं:


 * उपयोगकर्ता एक ब्रेकपॉइंट सेट कर सकता है और डिजाइन स्थिति का निरीक्षण करने, डिजाइन के साथ बातचीत करने और अनुकरण फिर से शुरू करने के लिए अनुकरण को रोक सकता है। एमुलेटर हमेशा चक्र की सीमाओं पर रुकता है।
 * प्रयोक्ता को चलाने से पहले जांच स्थापित करने की आवश्यकता के बिना डिजाइन में किसी भी संकेत या स्मृति सामग्री की दृश्यता है। जबकि दृश्यता पिछले समय के लिए भी प्रदान की जाती है, अतीत में यह जितना समय दिखा सकता है, वह कुछ मामलों में एमुलेटर की ट्रेस मेमोरी की गहराई तक सीमित हो सकता है।
 * उपयोगकर्ता समय का बैकअप भी ले सकता है (यदि उन्होंने सेवस्टेट | चेकपॉइंट को सहेजा है) और फिर से चला सकते हैं।
 * उनकी उच्च लागत के कारण, एमुलेटर कई डेवलपर्स की पहुंच से बाहर हैं, जिससे उन्नत FPGA प्रोटोटाइप प्लेटफॉर्म और डिबग टूल का उदय हुआ है।

अनुकरण और 2-राज्य तर्क
सिमुलेशन और त्वरण और अनुकरण के बीच एक और अंतर कार्यान्वयन के लिए हार्डवेयर का उपयोग करने वाले त्वरक का एक परिणाम है - उनके पास केवल दो तर्क राज्य हैं - जिस तरह से गढ़े जाने पर सिलिकॉन होगा। यह संकेत करता है:
 * वे एक्स-स्टेट इनिशियलाइज़ेशन का विश्लेषण करने के लिए उपयोगी नहीं हैं।
 * वे शक्ति संकल्प का विश्लेषण नहीं कर सकते हैं, या कम से कम यह संकलन समय पर स्थिर रूप से किया जाना चाहिए।
 * एमुलेटर सटीक सर्किट समय का मॉडल नहीं बनाते हैं, और इसलिए उन्हें शायद कोई दौड़ की स्थिति या सेटअप नहीं मिलेगा और समय का उल्लंघन होगा।

इन कार्यों को तर्क सिमुलेशन के दौरान या स्थिर समय विश्लेषण  उपकरण के साथ ठीक से किया जाता है।

अनुकरण बनाम प्रोटोटाइप
एक एमुलेटर और एक FPGA प्रोटोटाइप सिस्टम के बीच एक प्रमुख पारंपरिक अंतर यह रहा है कि एमुलेटर एक समृद्ध डिबग वातावरण प्रदान करता है, जबकि एक प्रोटोटाइप सिस्टम में बहुत कम या कोई डिबग क्षमता नहीं होती है और मुख्य रूप से सिस्टम विश्लेषण के लिए कई प्रतियां बनाने के लिए डिज़ाइन को डीबग करने के बाद इसका उपयोग किया जाता है। सॉफ्टवेयर डेवलपमेंट। नए उपकरण जो छोटे FPGA LUT प्रभाव के साथ पूर्ण RTL सिग्नल दृश्यता को सक्षम करते हैं, गहरी कैप्चर गहराई की अनुमति देते हैं और मल्टी-चिप और क्लॉक डोमेन विश्लेषण प्रदान करते हैं, जो एमुलेटर की तुलना में कुशल डिबग की अनुमति देने के लिए उभर रहे हैं।

यह भी देखें

 * हार्डवेयर-सहायता प्राप्त वर्चुअलाइजेशन
 * एमुलेटर
 * इन-सर्किट एमुलेटर
 * पृष्ठभूमि डिबग मोड इंटरफ़ेस
 * उदाहरण:
 * माइक्रोप्रोसेसर एमुलेटर एचपी 64000  (विभिन्न सीपीयू)

संदर्भ

 * Electronic Design Automation For Integrated Circuits Handbook, by Lavagno, Martin, and Scheffer, ISBN 0-8493-3096-3 A survey of the field, from which the above summary was derived, with permission.

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