基于计算模型的体系结构模拟器研究

摘要

随着对处理器性能提升需求的不断增长，如何快速且有效地验证处理器设计的正确性和性能的高效性变得越来越具有挑战性。体系结构模拟器是一种模拟处理器硬件全部或者部分行为的工具软件，并且可以通过简单地修改参数来方便地模拟不同的目标体系结构的行为。因此，模拟器受到了众多处理器设计和体系结构相关领域研究人员的广泛使用。
　　目前使用最为广泛的完全详细模拟的周期精确体系结构模拟器，虽然这样的模拟器可以保证结果的精确性，但是这类模拟器普遍存在开发周期漫长和运行速度缓慢两个方面的问题。现有的绝大多数对周期精确模拟器进行优化的研究工作主要包括对模拟器架构的优化和对模拟器性能的优化，但是这些研究成果都无法同时解决上述的两个问题。另一种类型的模拟器是基于抽象模型的模拟器。这种类型的模拟器的设计思想主要是通过提升模拟器设计模型的抽象层次，即通过计算而非模拟的方式实现模拟器部分或者全部的硬件部件的功能，从而对模拟器的设计和性能进行优化的方式。Interval Simulation就是基于部分抽象模型的设计思路。它的设计假设是只有Miss事件才是对性能结果有重要影响的因素。因此，在模拟过程中，精确模拟造成Miss的事件，而忽略其他非Miss事件的影响。通过只关注造成Miss的事件模拟，达到提升模拟器模拟速度的目标。但是由于需要得到Miss事件的精确结果，对于目标体系结构最终性能结果具有重大影响的一些硬件部件，如高速缓存器等，还是需要基于完全详细模拟的。同时，interval simulation也存在一些精确性方面的问题。由于主要关注Miss事件，而忽略了正常模拟指令流的评估，该模拟器对目标体系结构的最终性能模拟的结果会存在很大的偏差，达到15.62％。
　　本文从更高抽象层次的基于完全抽象模型的角度出发，提出了基于计算模型模拟器的设计思路。这种设计思路首先从目标体系结构中选取出对模拟器模拟的最终性能结果具有重大影响的模块进行相应的计算模型的建立，然后利用这些计算模型计算出每一条指令到达流水线各个阶段的时钟周期——包括取指周期、调度周期、执行周期、完成周期和提交周期，从而获得目标体系结构最终模拟执行的性能结果。这种模拟器的设计思路最大的优势在于完全不需要构建并实现完整的流水线和相关的硬件部件（包括分支预测器和高速缓存器等）进行具体地模拟执行，有利于简化模拟器的设计和提升模拟器的性能。本文的主要贡献包括:
　　分析研究当前主流的周期精确模拟器的设计思路，发现并指出了造成此类模拟器设计结构复杂且运行速度缓慢的主要原因。分析研究intervalsimulation的设计思路，并指出基于计算模型模拟器与之的不同之处。
　　提出了基于计算模型模拟器的设计思路，并在此基础上根据对目标体系结构性能结果具有重大影响的因素设计实现三个计算模型，分别为乱序执行流水线计算模型、分支预测错误计算模型和高速缓存失效计算模型。
　　实验结果表明，基于计算模型模拟器在最终的性能结果的误差率仅为2.47％的情况下，和模拟相同目标体系结构的一款周期精确模拟器的运行速度的加速比达到了22.74倍，并且实际的运行速度达到了1.27MIPS，相比与interval simulation的性能提升了78.19％，并可以支持全系统模拟。

目录

摘要

图目录

表目录

第1章 引言

第2章 模拟器的组成

2．1．模拟器的概念

2．2．模拟器的模块

2．2．1．流水线模拟

2．2．2．高速缓存模拟

2．2．3．输入输出设备模拟

2．2．4．硬件部件交互模拟

2．3．模拟器的主要参数

2．4．本章小结

第3章 模拟器抽象层次的分析

3．1．模拟器抽象层次的分类

3．2．周期精确模拟器的设计模式

3．2．1．周期精确模拟器的问题分析

3．3．基于部分抽象模型的设计模式

3．3．1．部分抽象模型的问题分析

3．4．基于计算模型模拟器的设计模式

3．4．1．基于计算模型模拟器的优势

3．4．2．基于计算模型模拟器的挑战

3．5．本章小结

第4章 基于计算模型模拟器的设计

4．1．基于计算模型模拟器的整体架构

4．2．计算模型的分析和提取

4．2．1．算术逻辑指令

4．2．2．分支跳转指令

4．2．3．内存访问指令

4．3．乱序执行流水线计算模型的设计

4．3．1．基于计算模型的乱序执行流水线的建立

4．3．2．基于计算模型的乱序执行流水线的过程

4．4．分支预测错误计算模型的设计

4．4．1．基于计算模型的分支预测器的建立

4．4．2．基于计算模型的分支预测器的集成

4．5．高速缓存失效计算模型的设计

4．5．1．基于计算模型的高速缓存器的建立

4．5．2．基于计算模型的高速缓存器的集成

4．6．本章小结

第5章 实验评估

5．1．基于计算模型模拟器的实现

5．1．1．模拟器架构的选择

5．1．2．计算模型中数据结构的使用

5．1．3．计算模块之间交互接口的设计

5．1．4．指令集的支持

5．2．实验环境

5．3．精确性评估结果

5．3．1．平均每条指令的时钟周期的误差率

5．3．2．高速缓存命中率的误差率

5．4．性能加速评估结果

5．4．1．性能加速比

5．4．2．实际运行速度

5．5．本章小结

第6章 相关工作

6．1．模拟器的性能优化

6．1．1．基于FPGA的加速技术

6．1．2．采样加速技术

6．1．3．并行加速技术

6．2．模拟器的架构优化

6．2．1．基于松耦合结构的模拟器

6．2．2．基于高度抽象层次模型的模拟器

6．3．本章小结

第7章 总结

参考文献

后记

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