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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:許維哲
研究生(外文):Wei-ZheHsu
論文名稱:虛擬系統層級之JPEG編碼器軟硬體協同設計
論文名稱(外文):System Level Virtual Hw/Sw Co-Design of A JPEG Encoder
指導教授:周哲民
指導教授(外文):Jer-Min Jou
學位類別:碩士
校院名稱:國立成功大學
系所名稱:電機工程學系碩博士班
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2012
畢業學年度:100
語文別:中文
論文頁數:86
中文關鍵詞:系統層級設計軟硬體協同設計JPEG 編碼
外文關鍵詞:system-level designhardware-software co-designJPEG encoder
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在本篇論文裡,我們提出了在虛擬系統層級之JPEG編碼器軟硬體協同設計,由配合全系統虛擬機QEMU所設計的虛擬化JPEG編碼器硬體,到驅動程式與應用程式的軟體設計,以及嵌入式Linux作業系統的移植。在虛擬硬體設計的部分,我們先分析全系統虛擬機QEMU如何使用高階程式語言(C Language)來描述系統架構與硬體行為,再利用C程式語言將JPEG編碼演算法實現,並加上虛擬硬體介面連接至QEMU所模擬的目標系統當中。在軟體設計的部分,有應用程式設計、JPEG編碼器驅動程式設計與Linux作業系統的移植,應用程式包含了JPEG解碼程式、JPEG編碼器硬體呼叫與JPEG介面API的設計;作業系統與應用程透過JPEG編碼器驅動程式存取和控制JPEG編碼器硬體;並且我們將嵌入式Linux作業系統移植到目標系統上,以提供基本的作業系統核心功能。藉由虛擬化技術,我們可以快速實現虛擬硬體設計,並配合軟體的開發,能有效率地完成虛擬系統層級的功能性驗證。
In this paper, we propose a virtual system-level hardware and software co-design of a JPEG encoder. We use the high-level programming language (C Language) to implement the JPEG encoding algorithm, and add the virtual hardware interface connecting to the target system simulated by QEMU. Application design contains the JPEG decoder program, the JPEG encoder virtual hardware calling, and the JPEG interface API . We also design the JPEG encoder driver to read, write, and control the JPEG encoder virtual hardware. Finally, we port an embedded Linux operating system on the target system to provide the basic OS kernel functions. By virtualization, we can quickly design virtual hardware with the software, and can effectively complete the functional verification in full-system simulation mode.
摘要 I
Abstract II
誌 謝 III
目 錄 IV
表 目 錄 VII
圖 目 錄 VIII
第一章 緒論 1
1.1研究動機 1
1.2 研究方法 2
1.3 論文架構 2
第二章 背景與相關研究 3
2.1 SoC Description Abstraction 3
2.2 Virtualization and Virtual Machine 4
2.3 相關虛擬機研究 7
2.3.1 FX!32 7
2.3.2 VMware 8
2.3.3 Simics 9
2.3.4 The M5 Simulator 10
2.3.5 QEMU 11
2.4 JPEG影像壓縮之介紹 14
2.4.1 Baseline JPEG 14
第三章 虛擬層級系統架構設計 17
3.1 虛擬系統平台 17
3.1.1 啟動QEMU 18
3.1.2 註冊系統與硬體資訊 18
3.1.3 判別使用者設定與初始化QEMU模擬環境 19
3.1.4 建立目標系統 20
3.1.5 系統執行 26
3.2 目標平台 28
3.2.1 ARM Versatile PB926EJ-S架構 28
3.2.2 AMBA系統匯流排 30
3.2.3 ARM Versatile PB926EJ-S記憶體配置 32
3.2.4 ARM Versatile PB926EJ-S中斷訊號連接 33
3.2.5 QEMU所模擬的ARM Versatile PB926EJ-S系統架構 35
3.3 系統設計流程 35
3.4 JPEG影像處理之軟硬體系統架構 36
第四章 軟體與虛擬硬體設計 38
4.1 軟體模組設計 38
4.1.1 驅動程式設計 38
4.1.2 應用程式設計 47
4.2 虛擬硬體模組設計 50
4.2.1虛擬硬體介面設計 50
4.2.2 JPEG編碼設計 52
4.3 Muti-HW JPEG編碼器設計 57
4.3.1 Muti-HW JPEG編碼器虛擬硬體設計 57
4.3.2 Muti-HW JPEG編碼器硬體溝通介面 59
4.4 Pipelined Muti-HW JPEG編碼器設計 62
4.4.1 Pipelined Muti-HW JPEG編碼器虛擬硬體設計 62
4.4.2 Pipelined Muti-HW JPEG編碼器硬體溝通介面 63
第五章 實驗環境與結果分析 66
5.1 開發環境 66
5.2 驗證與量測 67
5.3 實驗結果與分析 71
第六章 結論與未來展望 78
6.1 結論 78
6.2 未來研究 79
參考文獻 82
附錄一 84
附錄二 85
附錄三 86
[1] Lieverse, P., T. Stefanov, et al. (2001). “System level design with spade: an M-JPEG case study. Proceedings of the 2001 IEEE/ACM international conference on Computer-aided design. San Jose, California, IEEE Press: 31-38.
[2] Amazon.com, “Elastic Compute Cloud (EC2), http://aws.amazon.com/ec2.
[3] James E.Smith and Ravi Nair (2005), Virtual Machines: Versatile Platforms for Systems and Processes, Morgan Kaufmann.
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[6] The VMWare ESX Server. http://www.vmware.com/products/esx/.
[7] P. S. Magnusson, M. Christensson, J. Eskilson, D. Forsgren, G. Hallberg, J. Hogberg, F. Larsson, A. Moestedt, and B. Werner (2002), “Simics: A full system simulation platform, Computer, vol. 35, pp. 50-58.
[8] N. L. Binkert, R. G. Dreslinski, L. R. Hsu, K. T. Lim, A. G. Saidi, and S. K. Reinhardt (2006), “The M5 Simulator: Modeling Networked Systems, Micro, IEEE, vol. 26, pp. 52-60.
[9] Fabrice Bellard (2005), “QEMU, a Fast and Portable Dynamic Translator, Proceeding of USENIX Annual Technical Conference, pp. 41-46.
[10] JPEG Specification (1993) , “Information technology – Digital compression and coding of continuous-tone still images - Requirements and guidelines, ITU-T Recommendation T.81, ISO/IEC 10918-1.
[11] ARM Staff (2003-2007), “RealView Platform Baseboard for ARM926EJ-S User Guide.
[12] ARM Staff (1999), “AMBA™ Specification , 2000-2003 Rev 2.0 ,.
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[15] D. A. Huffman (1952), “A Method for the Construction of Minimum-Redundancy Codes, Proceedings of the IRE, vol. 40, pp. 1098-1101.
[16] 李明峻(2011),「嵌入式JPEG影像壓縮之軟硬體協同傳輸最佳化設計」, 國立成功大學電機工程學系碩士論文。
[17] ARM , http://www.arm.com/
[18] Linux Source , http://www.kernel.org/
[19] Embedded Linux/Microcontroller Project, http://www.uclinux.org/
[20] The ARM Linux Project , http://www.arm.linux.org.uk/developer/
[21] The GNU Compiler Collection, http://gcc.gnu.org/
[22] William B. Pennebaker, Joan L. Mitchell. (1993) “JPEG: Still Image Data Compression Standard , New York : Van Nostrand Reinhold.
[23] 戴顯權(2002),資料壓縮 ,高雄:紳藍出版社。
[24] 張勝雲(2008),「多執行绪虛擬機的研究和設計」,國立成功大學電機工程學系碩士論文。

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