Modeling embedded processors and generating fast simulators using the machine description language LISA

Pees, Stefan; Meyr, Heinrich

doi:25294

Modeling embedded processors and generating fast simulators using the machine description language LISA

Pees, Stefan (Author)

2003

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Stefan Pees

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2003

UmfangII, 157 S. : graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2003

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Meyr, Heinrich (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2002-11-28

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-6614
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/59109/files/Pees_Stefan.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik (600000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Eingebettetes System (Genormte SW) ; Mikroprozessor (Genormte SW) ; CASHE (Genormte SW) ; Codegenerierung (Genormte SW) ; Assembler (Genormte SW) ; Simulationssprache (Genormte SW) ; Informatik (frei) ; Simulation (frei) ; Prozessor (frei) ; Modell (frei) ; Maschinenbeschreibung (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 004

Kurzfassung
Designer von neuen Prozessoren und von Software für Systems-on-Chip benötigen eine verlässliche Methodik und entsprechende Werkzeuge zur Erzeugung von schnellen Prozessormodellen, die die relevanten Hardware-Details abbilden. Dies kann zum einen durch formal beschriebene Prozessormodelle unter Verwendung einer geeigneten Beschreibungssprache erreicht werden und zum anderen durch den Einsatz retargierbarer und schneller Simulationswerkzeuge, die aus Prozessorbeschreibungen generiert werden. Diese Arbeit stellt die Maschinenbeschreibungssprache LISA (Language for Instruction Set Architectures) vor, das zugehörige generische Prozesormodell und die retargierbaren schnellen Simulatoren, die aus LISA Beschreibungen generiert werden können. Die Sprache LISA ermöglicht die formale Beschreibung realer eingebetteter Prozessoren, deren Peripherieeinheiten und Schnittstellen. Die Entwicklung einer neuen Sprache war erforderlich, weil bestehende Ansätze entweder auf Hardware- oder Softwareeigenschaften fokussiert waren. LISA benutzt die Form der Attributgrammatiken um Eigenschaften der Hardware und der Software gemeinsam zu beschreiben. Diese Beschreibungen ermöglichen die automatische Generierung von Software-Entwicklungswerkzeugen, wie z.B. Simulatoren, Assembler und Linker. Das Verhaltensmodell ist komplett in C beschrieben, wodurch auch Code aus vorangegangenen Projekten wiederverwendet werden kann. Außerdem kann die Sprache LISA leicht erlernt werden und ist sehr intuitiv in der Verwendung. LISA wird durch das generische Maschinenmodell ergänzt, welches die Erzeugung instruktionsgenauer, zyklengenauer und phasengenauer Modelle basierend auf Kontroll-Schritten ermöglicht. Darüber hinaus wird die Implementierung einer retargierbaren Umgebung präsentiert, die kompilierte Simulatoren aus LISA Prozessorbeschreibungen erzeugt. Die Verwendung der LISA Prozessorbeschreibung reduziert den Aufwand zum Entwurf von Software- Entwicklungswerkzeugen deutlich und macht die Prozessor-Spezifikation transparent und verständlich auch für diejenigen, die das Modell nicht selbst entwickelt haben. Vollständige und verifizierte Prozessorbeschreibungen wie z.B. des C62x DSP von Texas Instruments und des ADSP 21xx von Analog Devices sind im Rahmen dieses Projektes realisiert worden, um die Praxistauglichkeit dieses Ansatzes zu belegen. Die Ausdrucksstärke der Sprache wird an ausgewählten Abschnitten aus diesen Beschreibungen veranschaulicht. Messungen an generierten Modellen belegen, dass die erreichte Simulationsgeschwindigkeit unter Beibehaltung der gleichen Genauigkeit bis zu zwei Größenordnungen höher ist als bei kommerziellen Simulatoren. Die hohe Simulationsgeschwindigkeit der kompilierten Technik hilft, die Entwurfszyklen zu verkürzen und verbessert die Produktivität der Designer. Der Ansatz der formalen Beschreibung von Prozessorarchitekturen und der anschließenden Generierung von Simulatoren wurde erfolgreich durchgeführt. Dies ermöglicht Designern von Prozessorarchitekturen und Software Applikationscode ihre Prototypen zu evaluieren und deutliche Risiken und Konsistenzprobleme bei der Erzeugung von Simulatoren zu beseitigen.

Designers of new processors and software for systems-on-chip need a reliable design methodology and suitable tools to produce fast processor models which cover the relevant hardware details. This goal can be achived efficiently by employing formal processor descriptions using a suitable machine description language combined with retargetable and fast simulation tools being generated from such a formal processor description. This thesis presents the machine description language LISA (language for instruction-set architectures), its generic processor model and the fast retargetable processor simulator that can be generated from LISA descriptions. The language LISA enables the formal description of real embedded processors, their peripherals and interfaces. The development of this new language was necessary because existing languages are focused on either hardware or software properties. LISA uses the form of attributed grammars to combine hardware and software properties of a processor architecture in a joint description. These descriptions allow it to generate software development tools, such as simulators, assemblers and linkers. The behavioral model is completely specified in C which enables the reuse of legacy model components and makes the language intuitive to use. The language is completed by the generic machine model of LISA that is able to produce instruction-accurate, cycle-accurate and phase-accurate models based on control steps that implement a zero-delay model. Furthermore, the implementation of a retargetable environment is presented that produces compiled simulators from LISA processor descriptions. Using the LISA processor description significantly reduces the efforts of designing software development tools and makes processor specification transparent and understandable to others than the authors. Complete processor descriptions of real processor architectures such as the C62x DSP of Texas Instruments and the Analog Devices ADSP 21xx DSP are realized to prove the applicability of this approach. The expressive power of LISA is illustrated based on selected sections taken from these descriptions. Compiled simulators are generated from the processor descriptions and the models are successfully verified against our reference models. Measurements show that the simulation speed is up to two orders of magnitude higher than the speed provided by commercial simulators at the same accuracy level. The high simulation speed of the compiled technique helps to shorten the design cycles and improves the productivity of designers. The approach of formally describing processor architectures and generating the simulators as part of the development tools is successfully realized. It enables designers of processor architectures and software application code to evaluate their prototypes and reduces significant risks and consistency problems in the development of production-quality simulators.

Fulltext:
PDF
(additional files)