हार्डवेयर अनुकरण

एकीकृत परिपथ प्रारूप में, हार्डवेयर अनुकरण हार्डवेयर के एक या एक से अधिक टुकड़ों (सामान्यतः प्रारूप के तहत एक प्रणाली) के हार्डवेयर के दूसरे टुकड़े के साथ व्यवहार की नकल करने की प्रक्रिया है, सामान्यतः एक विशेष उद्देश्य अनुकरण प्रणाली। अनुकरण मॉडल आमतौर पर हार्डवेयर विवरण भाषा (जैसे वेरिलॉग) स्रोत कोड पर आधारित होता है, जिसे अनुकरण प्रणाली द्वारा उपयोग किए जाने वाले प्रारूप में संकलित किया जाता है। लक्ष्य सामान्य रूप से रूपरेखित (डिज़ाइन) की जा रही प्रणाली का दोषमार्जन (डिबगिंग) और कार्यात्मक सत्यापन है। प्रायः एक यंत्रानुकरणकारी (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 तंत्र को लाइव डेटा के साथ दोष दोषमार्जित (डिबग) किया जा सकता है। यह इन-सर्किट अनुकरण का एक विशिष्ट मामला है।

कभी-कभी हार्डवेयर अनुकरण को हार्डवेयर उपकरणों के साथ भ्रमित किया जा सकता है जैसे हार्डवेयर संसाधित्र (प्रोसेसर) के साथ विस्तार कार्ड जो सॉफ़्टवेयर अनुकरण के कार्यों में सहायता करते हैं, जैसे कि x86 चिप्स के साथ पुराने डॉटर बोर्ड x86 OSes को विभिन्न संसाधित्र श्रेणी के मदरबोर्ड पर चलाने की अनुमति देते हैं।

परिचय
सिलिकॉन एकीकृत परिपथ रेस्पिन और प्रारंभिक स्तर का सबसे बड़ा हिस्सा कम से कम कार्यात्मक त्रुटियों और दोष (बग) के कारण अनजाने में प्र्रारूप प्रक्रिया के रजिस्टर-स्थानांतरण स्तर के चरण में प्रस्तुत किया गया है। इस प्रकार, व्यापक कार्यात्मक सत्यापन विकास लागत को कम करने और उत्पाद को समय पर वितरित करने की कुंजी है। एक प्र्रारूप का कार्यात्मक सत्यापन अक्सर तर्क अनुरूपण या FPGA आदिप्ररूप (प्रोटोटाइप) का उपयोग करके किया जाता है | क्षेत्र में प्रोग्राम की जा सकने वाली द्वार श्रंखला (FPGAs) पर आदिप्ररूप। प्रत्येक के लाभ व हानि हैं और अक्सर दोनों का उपयोग किया जाता है। तर्क अनुकरण आसान, सटीक, लचीला और कम लागत वाला है। हालांकि, अनुरूपण प्रायः बड़े प्र्रारूपों के लिए पर्याप्त तीव्र नहीं होता है और हार्डवेयर प्र्रारूप के विरुद्ध एप्लिकेशन सॉफ़्टवेयर चलाने के लिए लगभग हमेशा धीमा होता है। फील्ड-प्रोग्रामेबल गेट ऐरे-आधारित आदिप्ररूप तीव्र और सस्ते होते हैं, लेकिन कई FPGAs में एक बड़े प्र्रारूप को लागू करने के लिए आवश्यक समय बहुत लंबा व त्रुटि-प्रवण हो सकता है। प्र्रारूप 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। परंपरागत विक्रेता उपकरणों के साथ, FPGA आदिप्ररूप में दोषमार्जन 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 आदिप्ररूप दोषमार्जित यंत्र के निर्गमन के साथ बदल रहा है जो सिग्नल की दृश्यता की सीमाओं को हटाते हैं। सामान्य समझौता सत्यापन प्रक्रिया में अनुरूपण का उपयोग करना है जब दोष (बग) और फिक्स नियमित होते हैं,  और विकास चक्र के अंत में आदिप्ररूप (प्रोटोटाइप) होते हैं जब प्र्रारूप मूल रूप से पूर्ण होता है और किसी भी शेष तंत्र-स्तरीय दोष को उजागर करने के लिए पर्याप्त परीक्षण प्राप्त करने के लिए गति की आवश्यकता होती है। FPGA आदिप्ररूप सॉफ्टवेयर परीक्षण के लिए भी लोकप्रिय है।

अनुरूपण त्वरण एक सीमा तक अनुरूपण के प्रदर्शन की कमियों को दूर कर सकता है। यहां प्र्रारूप को बहुत तेज़ी से चलाने के लिए हार्डवेयर त्वरक में प्रतिचित्रित किया गया है और टेस्टबेंच (व कोई व्यवहारिक प्र्रारूप कोड) कार्यस्थल पर अनुरूपण पर चलता रहता है। एक उच्च-बैंड चौराई, कम विलंबता चैनल टेस्टबेंच और प्र्रारूप के बीच संकेत डेटा का आदान-प्रदान करने के लिए कार्य केंद्र को त्वरक से जोड़ता है। अमदहली के नियम के अनुसार, श्रृंखला में सबसे धीमा उपकरण प्राप्त होने वाली गति को निर्धारित करेगा। आम तौर पर, यह अनुरूपण में टेस्टबेंच है। एक बहुत ही कुशल टेस्टबेंच (सी या क्रियाकलाप-आधारित में लिखा गया है) के साथ, चैनल बाधा बन सकता है। कुछ मामलों में, एक लेन-देन-स्तरीय टेस्टबेंच "लाइव" उद्दीपक के रूप में अनुकरण किए जा रहे प्र्रारूप का अधिक से अधिक डेटा संभरण (फीड) करने में सक्षम है।

अंतःपरिपथ अनुकरण FPGA आदिप्ररूप के कार्यान्वयन के समय में कुछ सीमा तक सुधार करता है और एक व्यापक, कुशल दोषमार्जन क्षमता प्रदान करता है। FPGA आदिप्ररूप ($75K) की तुलना में अनुकरण 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 उद्दीपक को प्रतिस्थापित करके त्वरण के प्रदर्शन में सुधार करता है। यह उद्दीपक एक लक्ष्य प्रणाली (विकसित किया जा रहा उत्पाद) या परीक्षण उपकरण से आ सकता है। अनुरूपण की गति से 10,000 से 100,000 गुना अधिक, अनुकरण एक व्यापक हार्डवेयर दोषमार्जन (डिबग) वातावरण प्रदान करते हुए एप्लिकेशन सॉफ़्टवेयर का परीक्षण करना संभव बनाता है।

दोषमार्जन अनुरूपण बनाम अनुकरण/आदिप्ररूप
यह ध्यान देने योग्य है कि अनुकरण और आदिप्ररूप में निष्पादन की दो अलग-अलग शैलियाँ शामिल हैं। अनुरूपण आरटीएल कोड को क्रमिक रूप से निष्पादित करता है जबकि एक आदिप्ररूप पूरी तरह से समानांतर रूप से निष्पादित होता है। इससे दोषमार्जन में अंतर होता है। अनुकरण में:
 * उपयोगकर्ता एक विराम बिंदु व्यवस्थित कर सकता है और प्रारूप स्थिति का निरीक्षण करने के लिए अनुरूपण को रोक सकता है, प्रारूप के साथ परस्पर क्रिया कर सकता है और अनुरूपण 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 अवस्थति का प्रारूप और सामग्री में कोई भी संकेत देख सकता है।
 * उपयोगकर्ता समय का पूर्तिकर (बैकअप) भी ले सकता है (यदि उन्होंने चेकपॉइंट (s) को सुरक्षित किया है) और फिर से चला सकते हैं।

एक आदिप्ररूप के साथ: त्वरण और अनुकरण आरटीएल निष्पादन और दोषमार्जन के संदर्भ में आदिप्ररूप और सिलिकॉन की तरह अधिक हैं क्योंकि संपूर्ण प्रारूप एक साथ निष्पादित होता है जैसा कि सिलिकॉन में होगा। चूंकि एक ही हार्डवेयर का उपयोग अक्सर अनुरूपण त्वरण और अंतःपरिपथ अनुकरण दोनों प्रदान करने के लिए किया जाता है, ये प्रणाली इन दो बहुत अलग दोषमार्जन शैलियों का मिश्रण प्रदान करती हैं।
 * उपयोगकर्ता दृश्यता के लिए एक तर्क विश्लेषक को नियुक्त करता है और इसलिए केवल सीमित संख्या में संकेत देख सकता है जिसे उन्होंने समय से पहले निर्धारित किया था (जांच पर क्लिप करके)। यह उभरते हुए FPGA आदिप्ररूप टूल के साथ बदल रहा है जो 10,000s आंतरिक संकेतों, जैसे सर्टुस को पूर्ण दृश्यता प्रदान करते हैं।
 * तर्क विश्लेषक के प्रारंभ होने पर लक्ष्य नहीं रुकता है, इसलिए हर बार जब उपयोगकर्ता जांच या प्रारंभ की स्थिति बदलता है, तो उन्हें पर्यावरण को पुन:आरंभ (रीसेट) करना होगा और शुरुआत से फिर से शुरू करना होगा।
 * अवलोकन के लिए विशिष्ट संकेत उपलब्ध कराने के लिए जांच को सीधे आरटीएल प्रारूप में जोड़ा जाता है। जब तंत्र चलाया जाता है, तो प्रत्येक यंत्रीकृत संकेतो से जुड़ी RTL-आधारित जांच प्रत्येक क्लॉक साइकिल (सी पी यू का क्षमता मापक) पर संकेतो का मान एकत्र करती है। डेटा को FPGA ब्लॉक RAM में अनुरेख प्रतिरोधक (ट्रेस बफर) में संग्रहीत किया जाता है। आदिप्ररूप से जुड़ा एक विश्लेषक उपयोगकर्ता को प्रभावी दोषमार्जन के लिए तंत्र में ऑफ़लाइन दृश्यता देने वाली जानकारी को डाउनलोड करता है।

उच्च अंत हार्डवेयर अनुकरण कई विशेषताओं के साथ एक दोषमार्जन वातावरण प्रदान करते हैं जो तर्क अनुरूपक में पाए जा सकते हैं और कुछ मामलों में उनकी दोषमार्जन क्षमताओं से भी आगे निकल जाते हैं:


 * उपयोगकर्ता एक विराम बिंदु व्यवस्थित कर सकता है और प्रारूप स्थिति का निरीक्षण करने, प्रारूप के साथ परस्पर क्रिया करने और अनुकरण फिर से शुरू करने के लिए अनुकरण को रोक सकता है। यंत्रानुकरणकारी (एमुलेटर) हमेशा चक्र की सीमाओं पर रुकता है।
 * प्रयोक्ता को चलाने से पहले जांच स्थापित करने की आवश्यकता के बिना प्रारूप 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 यंत्रानुकरणकारी की अनुरेख (ट्रेस) मेमोरी की गहराई तक सीमित हो सकता है।
 * उपयोगकर्ता समय का पूर्तिकर (बैकअप) भी ले सकता है (यदि उन्होंने चेकपॉइंट (s) को सुरक्षित किया है) और फिर से चला सकते हैं।
 * उनकी उच्च लागत के कारण, यंत्रानुकरणकारी कई विकासक (डेवलपर्स) की पहुंच से बाहर हैं, जिससे उन्नत FPGA आदिप्ररूप प्लेटफॉर्म और दोषमार्जन टूल का उदय हुआ है।

अनुकरण और द्वि-अवस्था तर्क
अनुरूपण और त्वरण व अनुकरण के बीच एक और अंतर कार्यान्वयन के लिए हार्डवेयर का उपयोग करने वाले त्वरक का एक परिणाम है कि उनके पास केवल दो तर्क अवस्था हैं - जिस तरह से संविरचित किये जाने पर सिलिकॉन होगा। यह संकेत करता है:
 * वे एक्स-अवस्था प्रारंभन (इनिशियलाइज़ेशन) का विश्लेषण करने के लिए उपयोगी नहीं हैं।
 * वे क्षमता संकल्प का विश्लेषण नहीं कर सकते हैं या कम से कम यह संकलन समय पर स्थिर रूप से किया जाना चाहिए।
 * यंत्रानुकरणकारी यथावत् परिपथ समय का प्रतिरूप नहीं बनाते हैं और इसलिए उन्हें शायद कोई चाल (रेस) की स्थिति या व्यवस्था (सेटअप) नहीं मिलेगा और समय का उल्लंघन होगा।

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

अनुकरण बनाम आदिप्ररूप
एक अनुकरण और एक FPGA आदिप्ररूप प्रणाली (प्रोटोटाइप सिस्टम) के बीच एक प्रमुख पारंपरिक अंतर यह रहा है कि यंत्रानुकरणकारी एक समृद्ध दोषमाजिैत वातावरण प्रदान करता है, जबकि एक आदिप्ररूप प्रणाली में बहुत कम या कोई दोषमार्जित (डिबग) क्षमता नहीं होती है और मुख्य रूप से प्रणाली विश्लेषण व सॉफ्टवेयर विकास के लिए कई प्रतियां बनाने के लिए प्रारूप को दोषमाजिैत करने के बाद इसका उपयोग किया जाता है। नए उपकरण जो छोटे FPGA LUT प्रभाव के साथ पूर्ण RTL संकेत दृश्यता को सक्षम करते हैं, गहरी प्रग्रहण गहराई की अनुमति देते हैं और मल्टी-चिप और घड़ी प्रक्षेत्र (क्लॉक डोमेन) विश्लेषण प्रदान करते हैं, जो अनुकरण की तुलना में कुशल दोषमार्जन की अनुमति देने के लिए उभर रहे हैं।

यह भी देखें

 * हार्डवेयर-सहायता प्राप्त वर्चुअलाइजेशन
 * अनुकरण
 * अंतःपरिपथ अनुकरण
 * पृष्ठभूमि डिबग मोड अंतरापृष्ठ
 * उदाहरण:
 * सूक्ष्म संसाधित्र यंत्रानुकरणकारी 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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