在X86处理器上跑嵌入式应用程序的Software Emulation

本文作者：AMD 工程师 Garce Sun

在 Vitis 流程中，编译的目标分为软件仿真(software emultion)，硬件仿真(hardware emulation)以及硬件(hardware)。

软件仿真是通过用户创建的自定义主机代码测试系统的第一步，主要目标是确保主机程序和内核的功能正确性。其中，内核代码始终在本机编译和运行。应用程序代码根据平台的不同，编译方式为：

• 在 x86 处理器上本地编译和运行（数据中心平台）

• 交叉编译到 Arm 处理器并在仿真器中运行（嵌入式平台）

软件仿真通常用于改进算法、调试功能问题，并让开发人员快速迭代代码以进行改进。软件仿真是一个抽象模型，不使用任何 petalinux 驱动程序，如 Zynq OpenCL (ZOCL)、中断控制器或设备树二进制文件 (DTB)。 对于嵌入式平台来说，软件仿真创建 sd_card.img、在完整 QEMU 机器上启动 petalinux 的开销太重。

为了避免这部分开销，提高软件仿真运行效率，我们可以使用 x86 GCC（而不是 ARM-GCC）编译相同的嵌入式应用程序，从而实现在 x86 处理器上跑嵌入式应用程序的软件仿真。对于这种方法，用户不需要提供诸如 sysroot、rootfs 和 sd_card Image 等字段，从而能启用更快的软件仿真。

总的来说，与 QEMU 做软件仿真相比，编译过程中涉及到以下改动：  

用户需要在 host 安装 XRT，不需要 Petalinux/SYSROOT。

关于 XRT 的安装指导，请参考 UG1393 的相关章节内容

用 x86 的 GCC 编译器而不是 ARM GCC 来编译 host 代码。

在 2023.1 Vitis 版本中，x86 编译需要 GCC 8.3 或更高版本。

v++ -package 以及启动仿真的流程不尽相同。

下表描述了在 QEMU 下和在 x86 上运行软件仿真时，构建 PS 应用程序和.xclbin 的差异。

对于包含 AIE 的设计，基于上表的选项有所调整，请参考以下表格：

以上对比适用于 Vitis 2023.1，不同版本的命令行选项可能会有改动。

比如，2022.1 里的 v++ package 选项--package.ps_on_x86 在新版本替换成了—package.emu_ps x86/qemu。

对于嵌入式应用程序运行 x86 编译也有局限性，主要表现为主机代码不支持 ARM-only 的数据类型或库。
 

以下是使用 _fp16数据类型的主机代码示例，该数据类型仅在基于 ARM-GCC 的编译器中受支持，x86 编译器在编译相同的主机代码时会出错。

在这种情况下，建议使用 PS 的 QEMU 模型，并使用基于 ARM-GCC 的编译器来编译 PS 应用程序。

另外，目前并不支持从 Vitis GUI 启动 PS on x86 的仿真模式，需要从命令行完成。

GitHub 上有使用此功能运行软件仿真的示例供参考：

https://github.com/Xilinx/Vitis_Accel_Examples/tree/2023.1/emulation/aie_adder_hybrid_swemu

　　审核编辑：汤梓红