計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)研究

李章平

（廣東理工學(xué)院，廣東 肇慶 526100）

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的功能變得越來(lái)越豐富，處理器的操作也趨于復(fù)雜。在計(jì)算機(jī)運(yùn)行中，計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)的應(yīng)用，是基于硬件在系統(tǒng)中所處的部位，模擬其功能的運(yùn)行，以及實(shí)際運(yùn)行中的性能，因而計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)儼然轉(zhuǎn)變成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中必不可少的一環(huán)。倘若計(jì)算機(jī)系統(tǒng)處理器或模擬技術(shù)表現(xiàn)出不適應(yīng)性，計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)不僅有助于減少計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)成本，還可縮減計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)周期。在開(kāi)展軟件開(kāi)發(fā)時(shí)，因?yàn)橛?jì)算機(jī)體系在軟件模擬器開(kāi)發(fā)中依舊面臨不小的困難，由此使得相關(guān)開(kāi)發(fā)程序十分負(fù)載，尤其是開(kāi)發(fā)軟件的運(yùn)行化測(cè)試要消耗大量的時(shí)間等，這便對(duì)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)帶來(lái)極大的影響，進(jìn)而影響計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用的有效性。由此可見(jiàn)，對(duì)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)進(jìn)行探索研究，具有十分重要的理論價(jià)值和實(shí)踐意義。

一、計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬及其類(lèi)別

（一）計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬

計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬，主要是指依托硬件或軟件原型的方式對(duì)相關(guān)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)予以模擬，進(jìn)一步對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)開(kāi)展計(jì)算的過(guò)程。計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬旨在對(duì)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)未來(lái)的性能或功能予以分析、評(píng)估，并且著重于對(duì)計(jì)算機(jī)的計(jì)算任務(wù)執(zhí)行過(guò)程予以研究。

（二）計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬分類(lèi)

對(duì)于計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬的分類(lèi)，一是依據(jù)處理器的具體數(shù)量，對(duì)應(yīng)的性能模擬可劃分成單個(gè)、多個(gè)處理器系統(tǒng)模擬。依據(jù)模擬目標(biāo)相互間的具區(qū)別，可劃分成性能、功能、發(fā)熱及能耗模擬技術(shù)。二是跟蹤驅(qū)動(dòng)模擬技術(shù)，作為頁(yè)面置換計(jì)算方法中較早推廣的一種緩存管理算法，跟蹤驅(qū)動(dòng)模擬技術(shù)可對(duì)跟蹤驅(qū)動(dòng)開(kāi)展有效模擬，并且對(duì)指令程序執(zhí)行的各項(xiàng)數(shù)據(jù)均將其作為模擬器來(lái)傳輸其中，進(jìn)一步對(duì)相關(guān)體系結(jié)構(gòu)處理器的性能、功能予以模擬。

二、計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)面臨的問(wèn)題

（一）計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬器開(kāi)發(fā)難度偏大

因?yàn)橛?jì)算機(jī)工作系統(tǒng)存在一定的復(fù)雜性，幾乎無(wú)法借助計(jì)算機(jī)軟件來(lái)對(duì)門(mén)電路或晶體管進(jìn)行模擬。就層次角度分析而言，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)復(fù)雜程序簡(jiǎn)化抽象程序是較為常用的一種方法，計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)不斷向簡(jiǎn)單化方向發(fā)展，就結(jié)構(gòu)層次角度而言，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)仍然十分復(fù)雜，由此使得計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬器開(kāi)發(fā)難度亦會(huì)不斷提升。從現(xiàn)階段發(fā)展情況而言，計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬器開(kāi)發(fā)依舊采用C語(yǔ)言或C++編程語(yǔ)言，依托語(yǔ)言串行結(jié)構(gòu)化的特定機(jī)制來(lái)開(kāi)展計(jì)算機(jī)系統(tǒng)部件及功能模擬工作，但這一過(guò)程不僅要投入大量的時(shí)間，還極易引發(fā)各種錯(cuò)誤。比如，從零起步進(jìn)行開(kāi)發(fā)存在極大的難度，由此要求基于計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)開(kāi)展模擬器開(kāi)發(fā)工作，以此可切實(shí)滿足計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)開(kāi)發(fā)需求，然而實(shí)際開(kāi)發(fā)中依舊處在模擬器改造及模擬器二次開(kāi)發(fā)階段。就事實(shí)角度分析而言，現(xiàn)有模擬器改造或模擬器二次開(kāi)發(fā)面臨極大的難度，加之人們通常抱有懷疑態(tài)度，會(huì)對(duì)模擬器進(jìn)行反復(fù)驗(yàn)證，以期提升模擬器體系結(jié)構(gòu)評(píng)估可信度，然而卻在無(wú)形中進(jìn)一步加大了計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬器的開(kāi)發(fā)難度。

（二）計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬器運(yùn)行精度不足

在開(kāi)展計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬器開(kāi)發(fā)時(shí)，可從目標(biāo)體系結(jié)構(gòu)角度將其分為理解程序、設(shè)計(jì)程序以及實(shí)現(xiàn)程序，然而在目標(biāo)體系結(jié)構(gòu)依舊面臨著極大的問(wèn)題。首先，在理解程序中，要求對(duì)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬器需求開(kāi)展有效分析，這是對(duì)軟件進(jìn)行開(kāi)發(fā)時(shí)必須落實(shí)好的一項(xiàng)工作。其次，在設(shè)計(jì)程序中，雖然樹(shù)立有明確的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)目標(biāo)，然而往往會(huì)因?yàn)樵趯?duì)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)忽視某部分細(xì)節(jié)而導(dǎo)致錯(cuò)誤的引發(fā)，對(duì)模擬器編碼工作造成不利影響。最后，在實(shí)現(xiàn)程序中，因?yàn)橛?jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬器需要花費(fèi)很長(zhǎng)的時(shí)間進(jìn)行模擬，從而使得開(kāi)發(fā)人員不得不借助部分指令來(lái)取代測(cè)試程序中的整體效果，以此將會(huì)造成模擬器運(yùn)行精度受到極大影響。

（三）模擬器在預(yù)測(cè)新設(shè)計(jì)時(shí)運(yùn)行時(shí)間偏長(zhǎng)

模擬器存在于宿主主機(jī)上的同時(shí)，也屬于一個(gè)運(yùn)行程序。在對(duì)全面計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行模擬過(guò)程中，全面運(yùn)行過(guò)程均應(yīng)當(dāng)在時(shí)鐘周期的層級(jí)上記錄動(dòng)態(tài)指令，比如寄存器狀態(tài)燈、分支預(yù)測(cè)期狀態(tài)等，這些環(huán)節(jié)涉及海量的數(shù)據(jù)信息，該部分?jǐn)?shù)據(jù)信息的存在會(huì)不利于詳細(xì)的模擬運(yùn)行速度。在這過(guò)程中，SMAETS軟件模擬器作為一個(gè)性能可靠的模擬器，整個(gè)速度可達(dá)到9MIPS，然而相較于宿主主機(jī)的硬件，整個(gè)運(yùn)行過(guò)程速度要低于約4個(gè)數(shù)量級(jí)。加之伴隨如今處理器性能的不斷提升，新的標(biāo)準(zhǔn)程序包發(fā)布后也提出了全新的處理器性能評(píng)估方案，以此不僅為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)提供了諸多便利，并且還可從其他多個(gè)方面來(lái)全面評(píng)定處理器性能。為了提升模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，即可在運(yùn)行時(shí)引入性能測(cè)試程序包。相比硬件設(shè)施而言，模擬器的慢速度還會(huì)附著一個(gè)高負(fù)載的測(cè)試程序，以此也會(huì)很大程度到模擬器的運(yùn)行時(shí)間。又由于每次模擬的目的不盡相同，盡管使用輸入?yún)?shù)，運(yùn)行時(shí)間也會(huì)不盡相同，或是幾年，或是幾十年。

三、計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)問(wèn)題的應(yīng)對(duì)對(duì)策

（一）合理控制運(yùn)行參數(shù)

在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，針對(duì)模擬器運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)、效果不佳的問(wèn)題，開(kāi)發(fā)人員可采取下述應(yīng)對(duì)對(duì)策：一是調(diào)整程序測(cè)試數(shù)量。以系統(tǒng)測(cè)試為例，系統(tǒng)測(cè)試作為一個(gè)針對(duì)全面系統(tǒng)開(kāi)展的黑盒類(lèi)測(cè)試，在運(yùn)行時(shí)，因?yàn)橄到y(tǒng)測(cè)試較為復(fù)雜，使得模擬器運(yùn)行緩慢，所以，開(kāi)發(fā)人員可對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的聯(lián)合部件進(jìn)行有效篩選，基于對(duì)系統(tǒng)重要文件規(guī)格的有效滿足，剔除其中不符合規(guī)格的模塊，進(jìn)一步促進(jìn)系統(tǒng)運(yùn)行。二是縮減程序測(cè)試時(shí)間。以深度測(cè)試為例，深度測(cè)試指的是借助比較函數(shù)測(cè)試系統(tǒng)。當(dāng)相關(guān)產(chǎn)品運(yùn)行一個(gè)特性的各個(gè)細(xì)節(jié)時(shí)，即為出現(xiàn)深度測(cè)試的情況，以此便會(huì)造成模擬器時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，針對(duì)這一情況，開(kāi)發(fā)人員在開(kāi)展深度測(cè)試過(guò)程中，倘若比較函數(shù)不呈現(xiàn)出返還特性，便無(wú)需對(duì)軟件的各項(xiàng)特性進(jìn)行測(cè)試。

（二）直接選擇指令

直接選擇指令指的是開(kāi)發(fā)人員在選擇指令過(guò)程中，自由選擇指令，然后將指令輸入進(jìn)模擬器中。通過(guò)對(duì)該種選擇方式的應(yīng)用，可便于開(kāi)發(fā)人員在執(zhí)行階段就能夠掌握模擬器的運(yùn)行狀況。對(duì)于直接選擇指令的應(yīng)用，主要包括下述幾種方式：一是開(kāi)發(fā)人員第一步應(yīng)選擇X指令，接著選擇Z指令，通過(guò)模擬獲取數(shù)據(jù)，進(jìn)而將該兩種數(shù)據(jù)用作模擬器結(jié)果。在指令執(zhí)行后，模擬器中不會(huì)繼續(xù)產(chǎn)生相關(guān)數(shù)據(jù)信息，也無(wú)需保存數(shù)據(jù)信息，進(jìn)一步便可提升模擬器的運(yùn)行效率。二是開(kāi)發(fā)人員在指令處理后續(xù)階段，應(yīng)開(kāi)發(fā)另一種選擇方式，即為在選擇X指令、Z指令后，對(duì)指令開(kāi)展預(yù)熱處理，以此可促進(jìn)收獲可觀的模擬成效，不過(guò)該種方式依然面臨一些難題，使得模擬軟件無(wú)法適用于當(dāng)前大環(huán)境。三是因?yàn)橛?jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以，在開(kāi)展模擬器測(cè)試過(guò)程中為實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)行問(wèn)題的有效解決，開(kāi)發(fā)人員可采用部分指令。以兼容測(cè)試為例，在以往的兼容測(cè)試中，開(kāi)發(fā)人員需要對(duì)軟件進(jìn)行完全運(yùn)行方可得到最終測(cè)試結(jié)論。而經(jīng)由采用部分指令，開(kāi)發(fā)人員可迅速掌握軟件核心部分是否與計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序相適應(yīng)，進(jìn)而為軟件安裝提供有效便利。

（三）引入統(tǒng)計(jì)學(xué)方式選擇指令

引入統(tǒng)計(jì)學(xué)方式選擇指令，有助于提升模擬器的運(yùn)行效率。對(duì)于統(tǒng)計(jì)學(xué)方式選擇指令實(shí)際應(yīng)用，開(kāi)發(fā)人員應(yīng)開(kāi)展好下述幾方面工作：一是開(kāi)發(fā)人員所選擇的指令要具有一定的代表性。目前，可提升計(jì)算機(jī)系統(tǒng)模擬安裝技術(shù)的指令包括有代表性采樣、隨機(jī)式采樣以及周期式采樣。它們的不同之處在于選擇的數(shù)據(jù)不相一致，進(jìn)而會(huì)產(chǎn)生不盡相同的模擬器運(yùn)行效率。比如，在開(kāi)展模擬器運(yùn)行測(cè)試時(shí)，較常應(yīng)用的Simpoint模式即屬于是一種代表性采樣，主要是在程序運(yùn)行過(guò)程中對(duì)試驗(yàn)流程開(kāi)展實(shí)況分析，進(jìn)而任意選擇一組模擬點(diǎn)獲取模擬結(jié)果。二是合理選擇采樣時(shí)機(jī)。開(kāi)發(fā)人員在開(kāi)隨機(jī)式采樣、周期式采樣過(guò)程中，應(yīng)注意把握采用的時(shí)機(jī)，切忌在測(cè)試的初期或末尾期開(kāi)展采樣工作，如此將會(huì)造成數(shù)據(jù)的偶然性，進(jìn)而出現(xiàn)代表性不足的問(wèn)題。

（四）調(diào)整計(jì)算機(jī)性能測(cè)試的程序

開(kāi)發(fā)人員通過(guò)對(duì)計(jì)算機(jī)性能測(cè)試程序的有效調(diào)整，可有效解決計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)模擬軟件技術(shù)的運(yùn)行問(wèn)題，進(jìn)一步提升系統(tǒng)的運(yùn)行效率，且主要表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面：一是匹配參數(shù)值。計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)模擬軟件技術(shù)所依附的運(yùn)載平臺(tái)，屬于是計(jì)算機(jī)性能測(cè)試程序，開(kāi)發(fā)人員依托對(duì)比程序及模擬技術(shù)的數(shù)據(jù)信息，可直接獲取它們共同的運(yùn)行參數(shù)，進(jìn)一步調(diào)整它們的不同之處，提升契合度。值得一提的是，系統(tǒng)的參數(shù)不可負(fù)載，倘若模擬技術(shù)參數(shù)超出系統(tǒng)范圍值，極可能會(huì)引發(fā)崩盤(pán)情況。與此同時(shí)，系統(tǒng)參數(shù)也不宜過(guò)低，參數(shù)過(guò)低將難以帶動(dòng)模擬技術(shù)運(yùn)行。二是減少誤差。開(kāi)發(fā)人員通過(guò)調(diào)整計(jì)算機(jī)性能測(cè)試的程序，可縮減CPU參數(shù)集的參數(shù)配比，進(jìn)一步可促進(jìn)收獲更令人滿意的系統(tǒng)模擬技術(shù)運(yùn)行結(jié)果。因?yàn)镃PU的運(yùn)算速度要以CPU流水線相關(guān)性能指標(biāo)為有力依據(jù)，所以通過(guò)調(diào)整參數(shù)，提升CPU流水線質(zhì)量，可提升系統(tǒng)的運(yùn)行效率[5]。與此同時(shí)，因?yàn)镃PU運(yùn)行速度延長(zhǎng)，系統(tǒng)在處理信息過(guò)程中，可減少卡頓的引發(fā)幾率，進(jìn)一步可防止出現(xiàn)數(shù)據(jù)誤差，確保數(shù)據(jù)的真實(shí)性。

四、結(jié)束語(yǔ)

總而言之，隨著信息化、數(shù)字化時(shí)代的來(lái)臨，計(jì)算機(jī)技術(shù)已在人們的生產(chǎn)生活中得到越來(lái)越廣泛的推廣，加之現(xiàn)如今社會(huì)大眾對(duì)計(jì)算機(jī)的需求、功能也提出了越來(lái)越嚴(yán)格的要求，因此，相關(guān)人員應(yīng)加強(qiáng)對(duì)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)的開(kāi)發(fā)推廣，這同時(shí)也轉(zhuǎn)變成開(kāi)發(fā)新的軟件所必不可少的一項(xiàng)條件。計(jì)算機(jī)應(yīng)用功能的開(kāi)發(fā)推廣離不開(kāi)專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員的有力支持，在開(kāi)發(fā)和推廣過(guò)程中，專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員應(yīng)全面分析計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)面臨的問(wèn)題，只有這樣才能夠做到有的放矢，合理控制運(yùn)行參數(shù)、直接選擇指令、引入統(tǒng)計(jì)學(xué)方式選擇指令、調(diào)整計(jì)算機(jī)性能測(cè)試的程序等，從多個(gè)不同方面促進(jìn)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)的有效優(yōu)化，促進(jìn)開(kāi)發(fā)出更多可靠實(shí)用的計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件。