Beschleunigung der ko-designierten SoC-Entwicklung mit Renode-Simulatoren

Dieser Artikel demonstriert, wie Open-Source-Funktionssimulatoren wie Antmicros Renode in der Hardware-Software-Co-Design unverzichtbar werden.

Eingebettete Systeme entwickeln sich rasant, und SoCs der nächsten Generation wachsen in Komplexität. Laut Semico Research treibt diese Komplexität längere Designzyklen und höhere Kosten. Um Kundenanforderungen nach neuen Funktionen, stärkerer Sicherheit und besserer Performance gerecht zu werden, müssen Hersteller "Whole-Stack"-Co-Design anwenden – die gleichzeitige Evolution von Hardware, Firmware, Betriebssystemen und Toolchains. Ohne robuste Simulationswerkzeuge kann Co-Design jedoch ins Stocken geraten, was Zeitpläne verlängert und Budgets aufbläht.

Open-Source-Funktionssimulatoren wie Renode können diese Lücke schließen. Sie ermöglichen Hardware- und Software-Teams, parallel zu prototypen, zu testen und zu iterieren, was den Designzyklus drastisch verkürzt. Im Folgenden untersuchen wir eine reale Fallstudie mit Dover Microsystems und veranschaulichen, wie Renode greifbare Vorteile liefert.

Wo Software-Simulatoren versagen können

Dover Microsystems' CoreGuard®-Technologie exemplifiziert den Bedarf an einem flexiblen, multi-architektur-Simulator. CoreGuard ist eine hybride Cybersicherheitslösung, die eingebettete Prozessoren vor netzwerkbasierten Angriffen schützt. Ihr Design basiert auf einem Sentry-Prozessor, der jede vom Host-CPU ausgeführte Instruktion überwacht und die Einhaltung einer Reihe von Sicherheits-, Sicherheits- und Datenschutzregeln, sogenannten Micropolicies, sicherstellt. Da der Sentry mit dem Host-Prozessor Schritt halten muss, verlangt CoreGuard enge Integration zwischen Hardware und Software, hohe Performance, niedrigen Stromverbrauch und minimalen Speicher-Overhead.

Das Hardware-Team bei Dover verwendete eine Standard-SystemVerilog-Toolchain, um CoreGuard auf RISC-V-SoCs zu prototypen. Gleichzeitig musste das Software-Team die Entwicklung beginnen, bevor Silizium existierte. Zunächst verließen sie sich auf Spike, den RISC-V-ISA-Simulator, der auf GitHub verfügbar ist. Spike wies zwei große Einschränkungen auf:

1. Es fehlen realistische Peripheriemodelle, was das Team zwang, UARTs, Speicher und andere Geräte manuell hinzuzufügen.
2. Spike ist RISC-V-only, während Doovers frühe Kunden sowohl RISC-V- als auch ARM-Plattformen anvisierten.

Diese Herausforderungen hoben den Bedarf an einem flexiblen, multi-architektur-Simulator hervor, der Peripherien ohne umfangreichen Custom-Code modellieren kann.

Wie Renode zentrale Co-Design-Anforderungen adressiert

Antmicro, ein führender Anbieter von Open-Source-Technologie und -Services, entwickelte Renode, um genau diese Anforderungen zu erfüllen. Renode ist ein hierarchisches, modulares Simulations-Framework, das unveränderte Firmware über komplexe Systeme ausführt – einschließlich Multi-Node, heterogener, MCU-Level- und Linux-fähiger Konfigurationen. Sein Kerndesign behandelt Kerne und Peripherien als austauschbare Bausteine, die über Standardschnittstellen verbunden werden können, was den realen SoC-Aufbau spiegelt.

Abbildung 1. Beispiel eines simulierten RISC-V SoC.

Jede Komponente – CPU, Bus oder Peripherie – stellt Eigenschaften und APIs bereit, die schnellen Systemaufbau über Konfigurationsdateien und Skripte ermöglichen. Dieser Ansatz hält Renodes Codebasis schlank und senkt die Lernkurve. Antmicros kommerzieller Support beschleunigt Adoption und Integration weiter.

Mit Renode können Dover-Ingenieure:

• Nahtlos zwischen ARM- und RISC-V-Integrationsumgebungen wechseln.
• SoCs auf verschiedenen Fidelitätsstufen prototypen, von Referenzmodellen bis zu kundenindividuellen Designs.
• Hardware-Spezifikationen in Firmware-Modelle übersetzen, was Softwaretests ermöglicht, während die Hardware noch in Entwicklung ist.

Wie Renode Doovers Designzyklus signifikant verkürzte

CoreGuards hybride Natur erforderte parallele Entwicklung von Hardware und Software. Renode ermöglichte einen eng gekoppelten Workflow, der in Abbildung 2 illustriert ist.

Abbildung 2. Doovers integrierter Hardware-Software-Entwicklungsprozess.

Als das Hardware-Team die SystemVerilog-Implementierung begann, modellierte das Software-Team neue Blöcke in C#, Renodes nativer Sprache. Firmware konnte dann geschrieben und gegen diese Modelle ausgeführt werden, mit Ergebnissen, die auf einem FPGA-Emulator validiert wurden, sobald das Silizium bereit war.

Renodes Dual-Fidelity-Ansatz bot deutliche Vorteile:

• Low-Fidelity-Simulation – Abstraktion der CoreGuard-Hardware – erleichterte schnelles Micropolicy-Debugging, Demo-Erstellung und Kunden-SDK-Verteilung.
• High-Fidelity-Simulation – genaue Hardware-Modellierung – ermöglichte Boot-Prozess-Entwicklung, Peripherie-Debugging, Speicherabbild-Exploration und sogar HDMI-Firmware-Tests vor Silizium-Verfügbarkeit.

Neben diesen operativen Vorteilen ermöglichte Renode Dover, Hardware/Software-Trade-offs zu erkunden – wie Instruktionsrate-Matching, Metadaten-Speichernutzung und Stromverbrauch – ohne die Verzögerungen, die in einem "erst-Hardware-dann-Software"-Ansatz inhärent sind. Diese Flexibilität trug direkt zu einem kürzeren Designzyklus und geringeren Entwicklungskosten bei.

Um mehr darüber zu erfahren, wie Renode Ihre Co-Design-Projekte optimieren kann, besuchen Sie renode.io. Für eine Live-Demonstration von CoreGuards Schutzfunktionen fordern Sie heute eine Demo an.

Dieser Artikel wurde gemeinsam von Michael Gielda, VP Business Development und Mitgründer von Antmicro, verfasst.

Industry Articles sind eine Inhaltform, die Industriepartnern erlaubt, nützliche Nachrichten, Botschaften und Technologie mit All-About-Circuits-Lesern zu teilen, auf eine Weise, die redaktionelle Inhalte nicht gut unterstützen. Alle Industry Articles unterliegen strengen redaktionellen Richtlinien mit der Absicht, Lesern nützliche Nachrichten, technische Expertise oder Geschichten zu bieten. Die geäußerten Standpunkte und Meinungen in Industry Articles sind die des Partners und nicht notwendigerweise die von All About Circuits oder seinen Autoren.