成功把system software source code以build flow轉換成CPU可以執行的executable file之後，需要有hardware platform才可以運行，而hardware platform可分為模擬器 (simulator/emulator)與實際硬體 (real target)，因為real target需要製造的流程，所以system software可以使用模擬hardware的software作為前期開發的hardware platform，而我們今天首先要介紹simulator/emulator。

What is Simulator/Emulator

Simulator/Emulator是一種application software，功能是在軟體的實作與硬體的支援下，創造模擬另一種系統行為的環境

Simulator/Emulator不一定要完整模擬一整套系統，而可以只是系統的一部分。例如: 在x86 CPU的電腦上，做一套可以解讀MIPS指令並且依照指令給出執行結果的程式，就是一種MIPS CPU的模擬器。

Simulator/emulator依照模擬的目的性而有不同的分類

Emulator

Emulator是一種可以取代被模擬系統的黑盒子，模擬一個系統的可以被觀察到的行為，但內部的狀態和實際的系統沒有關聯。例如: Mars MIPS Simulator是一套MIPS CPU的emulator，它不模擬MIPS CPU的完整5級pipeline (IF/ID/EX/MEM/WB)，但能夠做到如同真實的MIPS CPU對輸入的MIPS指令給出結果。

Simulator

Simulator是一種展現出所有被模擬系統細節的機器，盡量按照真實系統模擬一個硬體上發生的每一個狀態與步驟，並且能夠紀錄下來給使用者查詢。例如：DRMIPS是一套MIPS CPU的simulator，它可以模擬出每一個CPU cycle的所有pipeline的狀態，對於MIPS CPU行為有不了解的software developer可以藉此觀察CPU的行為。

Emulator的實作通常simulator簡單快速，所以會被用在不需要知道太多細節的開發，例如compiler toolchain的測試只需要emulator模擬CPU執行指令的結果，而不需要知道CPU如何處理指令。

Simulator可以提供更多細節給使用者，所以硬體元件的驗證會在simulator上進行，例如RTL simulator會展示每個cycle的硬體內部訊號，在硬體元件被DVT發現錯誤時，可以快速追蹤根源。

Why Simulator/Emulator is Needed

縮短開發週期

System software developer可以在實際的硬體被製造出來之前進行system software開發，減少上層application software developer等待時間，提升產品推出效率。模擬器有專用的語言、工具可以採用(例如: SystemC)，開發的時間比硬體短。所以system software developer可以在系統設計的早期階段就開始開發。

提前驗證硬體設計正確性

硬體製造之前需要先經過驗證，避免硬體被製造出來後才發現軟體無法控制。硬體元件設計者無法完整考慮軟體對硬體所有操控組合，所以硬體設計者需要system software developer協助從軟體角度做硬體驗證 (DVT)。例如: RTL simulator可以在硬體設計開發階段時就讓system software加入驗證，確保system software和硬體元件設計者對設計的理解沒有出入。

較完整的除錯資訊

在實際的硬體上遇到問題但無法獲得足夠資訊除錯時，會回到模擬器進行除錯。例如: 發現硬體在正確的控制流程下無法發揮正常功能時，system software developer和硬體元件設計者會利用模擬器嘗試復現問題。有部分system software在實際的硬體上要進行驗證的難度高，這些system software的developer就會選擇在模擬器上驗證。例如: BIOS在實際的硬體上不容易debug，所以BIOS的developer大部分會使用QEMU驗證正確性。

Simulator/emulator Features

資訊豐富

因為模擬器是用軟體實作硬體行為，所以模擬器可以列出系統運作過程中的細節，所以system software developer可以不需要debugger就快速除錯。

速度慢

硬體可以在一個cycle內同步產生很多狀態與訊號的變化，但模擬器是軟體，所以一個cycle內的硬體變化需要花費多倍時間才能完成。例如: MIPS CPU的5級pipeline可以在一個cycle內完成五個pipeline stage，但MIPS simulator最少需要5個步驟才能在軟體內部完成這5個pipeline stage的狀態更新。

只能模擬系統當中的一部分硬體元件

一套完整的系統上有多項硬體元件，而每個硬體元件都會有一套硬體訊號與狀態運作。要模擬完整系統中的訊號會使模擬器需佔用大量RAM、執行時需要大量CPU資源，所以模擬器通常只能模擬一部分的硬體元件。例如: 模擬器若要模擬一整套wifi路由器會需要模擬很多晶片，模擬器的實作與運作都太複雜，實務上在模擬器階段會把晶片拆開來模擬功能。

軟體怎麼在模擬器上運作

模擬器模擬了真實的硬體，所以對軟體來說不需要知道模擬器的硬體的不同。
模擬器的開機方式
模擬整體系統的開機: 有部分模擬器可以模擬系統的開機流程(依BIOS、bootloader、kernel的順序)，所以BIOS和bootloader可以在這種模擬器開發 (例如: QEMU)
直接把軟體放進模擬器開始跑: 有部分模擬器會簡化流程，允許使用者的軟體直接開始跑，讓軟體可以快速被驗證(例如: MARS)

我們今天認識了simulator/emulator，因為有利於開發時效性、能提供豐富的資訊，system software的早期開發依賴於simulator，在後期遇到困難問題時也會使用simulator嘗試找問題。但simulator並非萬能，它的效能與模擬範圍有限，無法替代real target，接下來我們會介紹real target。