随着后PC时代的到来,嵌入式系统随处可见,其中MIPS处理器在嵌入式市场中占有很大的比例。然而,随着嵌入式产品更新速度加快,嵌入式系统设计周期大大缩短。而仿真器的设计正是为了满足这个需求：一方面,仿真器通过模拟指令在目标机处理器上的执行效果来实现对目标硬件的仿真,通过对比反馈信息与预期信息来辅助嵌入式系统的设计,仿真器技术已经成为嵌入式系统设计与软件优化的重要技术；另一方面,片上内存是嵌入式系统的关键部分,直接影响着系统的整体性能,如何有效地使用片上内存资源在嵌入式系统设计中是很关键的问题。因而,协同仿真器技术进行嵌入式片上内存结构设计与软件优化已经成为一种趋势。本文主要研究了MIPS仿真器设计和数据片上片外分配两项关键技术,其中数据片上片外分配技术确定数据分配策略对数据对象进行合理分配,目的是取得针对具体应用的性能最优。针对这两项关键技术,本文的主要工作如下：首先,面向内存结构设计研究,设计MIPS仿真器QtMips。它不仅支持编辑、汇编、仿真和仿真信息实时掌握等基本功能,有效地收集和分析测试程序的行为,还支持SPM/Cache混合内存结构配置和数据片上片外分配配置,为数据片上片外分配技术的研究提供软件支持。采取模块化设计理念,分为I/O模块、配置模块、处理模块和显示模块等进行功能设计其次,根据QtMips的功能设计划分对实现技术分别进行了研究,并分析了实现时采取的两项关键技术,分别是串行汇编符号地址处理技术与内存结构可配置仿真技术。通过测试与验证表明QtMips实现了预期设计目标。最后,本文提出了TCG模型作为衡量数据引起Cache缺失的新标准,综合考虑了绝大部分关键因素。TCG分配算法不仅将最容易发生冲突的数据对象分配到SPM,还考虑了数据对象在片外内存的布局与Cache组的映射关系来降低Cache缺失率。通过算法仿真和性能分析得出TCG分配算法可以很好地利用内存资源,提高内存系统性能。通过本文的研究,可以得到一种针对具体应用的嵌入式片上内存结构设计和软件优化的通用方法。采取该方法不仅可以缩短嵌入式系统片上内存的设计时间,降低生产成本,还可以使得片上内存硬件和其上运行的软件更加匹配,减少程序访问存储系统的时间,从而提高系统整体性能。