計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)

王勉+范志勤

摘要：隨著時(shí)代的進(jìn)步與經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，人們的生活水平也不斷提高。計(jì)算機(jī)在人們的生活中也越來(lái)越普及，人們對(duì)于計(jì)算機(jī)的性能要求也在逐步提高。而計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)的發(fā)展，在計(jì)算機(jī)的軟件開(kāi)發(fā)中起著重要的作用。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)體系；結(jié)構(gòu)軟件；模擬技術(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP303 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2017）11-0229-01

1 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的介紹

1.1 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單定義

那些對(duì)于程序員可見(jiàn)的系統(tǒng)屬性，例如設(shè)計(jì)思想與體系結(jié)構(gòu)等，就是計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)。在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上出現(xiàn)的問(wèn)題就是依靠計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)解決的。將一些系統(tǒng)的元素組合在一起，這些元素相互配合處理信息從而達(dá)到目標(biāo)，就構(gòu)成了計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)。而圖靈機(jī)理論是計(jì)算機(jī)體系構(gòu)成的基礎(chǔ)，同時(shí)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)也是屬于馮.諾依曼體系結(jié)構(gòu)的一種。而在計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)中組合的系統(tǒng)元素一般包括有計(jì)算機(jī)的硬件、計(jì)算機(jī)的軟件、數(shù)據(jù)庫(kù)、人員、文檔和過(guò)程。

1.2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展階段

從60年代計(jì)算機(jī)開(kāi)始出現(xiàn)到現(xiàn)在已經(jīng)過(guò)了一段時(shí)間的發(fā)展。隨著時(shí)代不斷的進(jìn)步，人們對(duì)計(jì)算機(jī)需求也不斷提高，所以計(jì)算機(jī)也在不斷的發(fā)展，計(jì)算機(jī)的發(fā)展可以分為四個(gè)不同的階段。

1.2.1 第一階段

60年代中期，是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)發(fā)展的第一階段，在這一階段，硬件的發(fā)展比軟件發(fā)展要更加迅速一些。硬件的使用已經(jīng)比較普遍，但是軟件的發(fā)展還沒(méi)有達(dá)到一定的水平，軟件開(kāi)發(fā)也沒(méi)有一個(gè)系統(tǒng)整體的規(guī)劃。對(duì)程序編寫(xiě)的規(guī)模也相當(dāng)小，人們對(duì)于軟件設(shè)計(jì)也沒(méi)有一個(gè)清晰的概念。

1.2.2 第二階段

從60年代中期到70年代中期的這一段時(shí)間里，是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)發(fā)展的第二階段。特別是在計(jì)算機(jī)技術(shù)方面有了很大的進(jìn)步，提出了一個(gè)新的概念，即人機(jī)交互，使得計(jì)算機(jī)的應(yīng)用到達(dá)了一個(gè)新的層次，也使得軟件與硬件的配合更加好。

1.2.3 第三階段

20世紀(jì)70年代的中期到80年代中期，這十年的時(shí)間是計(jì)算機(jī)發(fā)展的第三階段。在這十年中計(jì)算機(jī)技術(shù)又得到了更大的發(fā)展，不過(guò)隨著技術(shù)的進(jìn)步，用戶(hù)對(duì)于計(jì)算機(jī)的要求也越來(lái)越高。局域網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)通信等的發(fā)展都對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)提出了更高的要求。

1.2.4 第四階段

從80年代中到現(xiàn)在，是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)發(fā)展的第四階段，人們逐漸開(kāi)始重視軟件和硬件的配合使用效果。計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)也已經(jīng)從以前比較集中的主機(jī)環(huán)境，變?yōu)榱艘环N較分散的服務(wù)器環(huán)境。信息網(wǎng)絡(luò)的全球化也使得人們?cè)诮涣髋c資源共享方面更加迅速。軟件開(kāi)發(fā)也逐漸發(fā)展，不斷出現(xiàn)新的軟件開(kāi)發(fā)方式來(lái)取代傳統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)方法，更加系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)方法逐漸形成[1]。

2 計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)

使用軟件的方式來(lái)模擬計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件的運(yùn)行，從而得出硬件系統(tǒng)在功能上的特性，叫做計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)。在體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，利用體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)對(duì)軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)估已經(jīng)成為了一個(gè)必不可少的環(huán)節(jié)。

2.1 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬出現(xiàn)的問(wèn)題

雖然我們應(yīng)用計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)，可以在短時(shí)間內(nèi)設(shè)計(jì)出許多體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，然后再在其中挑選出最好的，這樣就節(jié)省很多時(shí)間。但是在運(yùn)用這種模擬技術(shù)的同時(shí)，也有著三個(gè)方面的問(wèn)題。

2.1.1 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬器的開(kāi)發(fā)難度大

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)本身就非常復(fù)雜，所以使用軟件來(lái)模擬每一個(gè)行為特征是不可能的，所以計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)就是對(duì)于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次的簡(jiǎn)化，但是簡(jiǎn)化之后的結(jié)構(gòu)層次仍然是非常復(fù)雜的，而且要開(kāi)發(fā)出軟件模擬體系，對(duì)于開(kāi)發(fā)者也十分困難。

2.1.2 計(jì)算機(jī)體系軟件模擬運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)

模擬器在運(yùn)行的過(guò)程當(dāng)中，由于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的復(fù)雜性，在模擬評(píng)測(cè)的過(guò)程中需要耗費(fèi)很長(zhǎng)的時(shí)間，而且速度也十分緩慢。而且根據(jù)模擬目的的不同，模擬運(yùn)行的時(shí)間差距也非常大，比如有的只需要幾個(gè)月，但有的甚至需要幾十年。

2.1.3 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬運(yùn)行結(jié)果的精度差

在模擬的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，本身就存在著許多錯(cuò)誤，而設(shè)計(jì)人員不合理的決策，也會(huì)使得結(jié)果精度差。在模擬器開(kāi)發(fā)的三個(gè)步驟中，每一個(gè)步驟中都有可能出現(xiàn)錯(cuò)誤。

2.2 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)模擬的分類(lèi)

計(jì)算機(jī)經(jīng)過(guò)這么長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展，計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)的研究也有了很大的發(fā)展，使得模擬技術(shù)更加多樣化。下面我們就將介紹計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)模擬器的幾種主要分類(lèi)方法。我們可以根據(jù)處理器數(shù)目的不同，分為單處理器系統(tǒng)模擬和多處理器系統(tǒng)模擬。而我們根據(jù)模擬目標(biāo)的不同，可以分為功能模擬、性能模擬等。而且隨著人們對(duì)于計(jì)算機(jī)的要求越來(lái)越高，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)也越來(lái)越復(fù)雜。人們對(duì)于系統(tǒng)能耗與發(fā)熱問(wèn)題的關(guān)注越來(lái)越高。而我們依據(jù)模擬器開(kāi)發(fā)和執(zhí)行的模式不同，可以將模擬器分為串行結(jié)構(gòu)模擬器和并行結(jié)構(gòu)模擬器。而在模擬器模擬過(guò)程中，也可根據(jù)執(zhí)行內(nèi)核數(shù)量的不同，將模擬器分為單核系統(tǒng)模擬器和多核系統(tǒng)模擬器[2]。

2.3 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬的兩種主要分類(lèi)

2.3.1 跟蹤驅(qū)動(dòng)模擬

在早期的頁(yè)面換置算法中應(yīng)用的就是跟蹤驅(qū)動(dòng)模擬技術(shù)，其過(guò)程是將每一條指令執(zhí)行產(chǎn)生的信息輸入，從而模擬出這種體系結(jié)構(gòu)的功能，這就是跟蹤驅(qū)動(dòng)模擬。它也存在著兩個(gè)問(wèn)題，一是模擬運(yùn)行的時(shí)間非常長(zhǎng)。因?yàn)樗獙⒃趫?zhí)行過(guò)程中產(chǎn)生的所有信息都輸入，對(duì)于儲(chǔ)存設(shè)備的容量要求非常高。二是在跟蹤信息的時(shí)候，不能夠真實(shí)準(zhǔn)確的處理指令，所以在模擬過(guò)程中會(huì)影響結(jié)果的精確性。

2.3.2 執(zhí)行驅(qū)動(dòng)模擬

執(zhí)行驅(qū)動(dòng)模擬與跟蹤驅(qū)動(dòng)模擬最大的不同，就是其以程序的執(zhí)行指令作為模擬器的輸入，不使用程序跟蹤狀態(tài)信息作為輸入。與跟蹤模擬技術(shù)相比執(zhí)行驅(qū)動(dòng)模擬所得到的結(jié)果更加真實(shí)，但是執(zhí)行驅(qū)動(dòng)模擬的成本卻更加高，而且執(zhí)行的速度更加慢，這就使得模擬時(shí)間非常長(zhǎng)。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著科技的發(fā)展，計(jì)算機(jī)體系發(fā)展的第四階段，計(jì)算機(jī)也深入到了人們生活的各方各面。人們對(duì)于計(jì)算機(jī)的需求更加復(fù)雜，所以對(duì)于軟件的開(kāi)發(fā)與更新速度有很高的要求。而計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)模擬器是計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)發(fā)展的一個(gè)重要工具，應(yīng)該加緊開(kāi)發(fā)出更加符合現(xiàn)代科技需求的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)模擬器，大力投入讓計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)模擬技術(shù)更加完備。

參考文獻(xiàn)

[1]喻之斌.計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)[J].2008（23）：129-131.

[2]沈緒榜，劉澤響，王茹.計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一模型[J].計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)，2007，（05）：67-69.

Abstract：With the progress of the times and the rapid development of the economy， people's living standard is also rising. The computer is more and more popular in people's life， and the performance requirements of the computer are gradually improving. The development of computer architecture software simulation technology plays an important role in the development of computer software.

Key Words：computer system； Structural software； simulation techniqueendprint