在嵌入式系统设计中，工程师们通常采用模型驱动工程（MDE）的方法来建立软、硬件高层次模型。而快速虚拟原型平台正是可以在高层次抽象下模拟系统的工具软件，而不仅仅是泛函算法仿真。快速虚拟原型平台可在形式化描述中得到精细化的模拟器模型，而且可运行并测试完整的嵌入式应用软件。快速虚拟原型平台已经成为了嵌入式片上系统软、硬件协同设计的关键所在。嵌入式系统随着硬件性能的增强而不断发展，而现有虚拟原型中的单一模拟器在模拟功能及效率上不能够满足软、硬件协同开发的需求。因此在嵌入式软件系统领域研究新的模拟及模拟优化技术，在快速虚拟原型架构下开发高效高可信的模拟器有着重要的意义。过去十几年以来，科研人员主要针对虚拟原型中32位及64位嵌入式处理器的模拟器展开了大量研究，而很少关注128位协处理器模拟器。事实上，协处理器的性能直接决定了嵌入式系统在某些应用方面的性能，如多媒体、矢量绘图、通信等应用。随着128位协处理器多媒体应用等的继续增长，会给处理器虚拟原型研究领域带来更多的挑战。近似定时模拟技术（AT）、编译器优化技术（LLVM）、可变长度指令编码技术（VLE）等都是该领域存在的难题。因此本研究以挑战嵌入式系统设计和仿真的新方法为切入点，结合先进的系统建模和系统验证技术，在SimSoC虚拟原型的基础上研究了基于PowerPCAltiVec128位指令集的近似定时模拟技术、底层虚拟机（LLVM）动态编译优化技术和基于PowerPC模拟器的VLE可变长度指令编码技术以及模拟器仿真和验证技术，最终实现了高效高可信的基于SimSoC快速虚拟原型平台的PowerPCAltiVec嵌入式片上系统模拟器。本论文的主要工作有：第一，提出了构建PowerPC AltiVec128位嵌入式协处理器技术的GCC交叉编译器工具链的新方法。该工具链具有可移植性高、编译速度快、完整支持PowerPCAltiVec指令集及内建AltiVec系统函数等特点。第二，为了研究分析虚拟原型的计算和译码效率，分别采用了解释型编译、动态编译、细化动态编译技术来设计和实现PowerPC AltiVec指令集模拟器。研究了先进的用于优化模拟器执行效率的基于底层虚拟机（LLVM）动态编译技术。将可变长度指令编码技术应用于PowerPC AltiVec128位指令集模拟器，为其提供更好的编码密度，提高单位存储芯片空间的利用率。第三，在仿真实验中比较了在不同编译模式下PowerPC AltiVec指令集模拟器执行应用程序的效率和可信度。最后，通过单元测试、集成测试和系统测试对PowerPC AltiVec指令集模拟器进行完整的跟踪及测试以达到其可验证性。