基于計(jì)算模型的體系結(jié)構(gòu)模擬器研究.pdf

1、隨著對(duì)處理器性能提升需求的不斷增長(zhǎng)，如何快速且有效地驗(yàn)證處理器設(shè)計(jì)的正確性和性能的高效性變得越來(lái)越具有挑戰(zhàn)性。體系結(jié)構(gòu)模擬器是一種模擬處理器硬件全部或者部分行為的工具軟件，并且可以通過(guò)簡(jiǎn)單地修改參數(shù)來(lái)方便地模擬不同的目標(biāo)體系結(jié)構(gòu)的行為。因此，模擬器受到了眾多處理器設(shè)計(jì)和體系結(jié)構(gòu)相關(guān)領(lǐng)域研究人員的廣泛使用。
　　目前使用最為廣泛的完全詳細(xì)模擬的周期精確體系結(jié)構(gòu)模擬器，雖然這樣的模擬器可以保證結(jié)果的精確性，但是這類模擬器普遍存在開(kāi)發(fā)周

2、期漫長(zhǎng)和運(yùn)行速度緩慢兩個(gè)方面的問(wèn)題。現(xiàn)有的絕大多數(shù)對(duì)周期精確模擬器進(jìn)行優(yōu)化的研究工作主要包括對(duì)模擬器架構(gòu)的優(yōu)化和對(duì)模擬器性能的優(yōu)化，但是這些研究成果都無(wú)法同時(shí)解決上述的兩個(gè)問(wèn)題。另一種類型的模擬器是基于抽象模型的模擬器。這種類型的模擬器的設(shè)計(jì)思想主要是通過(guò)提升模擬器設(shè)計(jì)模型的抽象層次，即通過(guò)計(jì)算而非模擬的方式實(shí)現(xiàn)模擬器部分或者全部的硬件部件的功能，從而對(duì)模擬器的設(shè)計(jì)和性能進(jìn)行優(yōu)化的方式。Interval Simulation就是基于部分

3、抽象模型的設(shè)計(jì)思路。它的設(shè)計(jì)假設(shè)是只有Miss事件才是對(duì)性能結(jié)果有重要影響的因素。因此，在模擬過(guò)程中，精確模擬造成Miss的事件，而忽略其他非Miss事件的影響。通過(guò)只關(guān)注造成Miss的事件模擬，達(dá)到提升模擬器模擬速度的目標(biāo)。但是由于需要得到Miss事件的精確結(jié)果，對(duì)于目標(biāo)體系結(jié)構(gòu)最終性能結(jié)果具有重大影響的一些硬件部件，如高速緩存器等，還是需要基于完全詳細(xì)模擬的。同時(shí)，interval simulation也存在一些精確性方面的問(wèn)題。由

4、于主要關(guān)注Miss事件，而忽略了正常模擬指令流的評(píng)估，該模擬器對(duì)目標(biāo)體系結(jié)構(gòu)的最終性能模擬的結(jié)果會(huì)存在很大的偏差，達(dá)到15.62％。
　　本文從更高抽象層次的基于完全抽象模型的角度出發(fā)，提出了基于計(jì)算模型模擬器的設(shè)計(jì)思路。這種設(shè)計(jì)思路首先從目標(biāo)體系結(jié)構(gòu)中選取出對(duì)模擬器模擬的最終性能結(jié)果具有重大影響的模塊進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算模型的建立，然后利用這些計(jì)算模型計(jì)算出每一條指令到達(dá)流水線各個(gè)階段的時(shí)鐘周期——包括取指周期、調(diào)度周期、執(zhí)行周期、完

5、成周期和提交周期，從而獲得目標(biāo)體系結(jié)構(gòu)最終模擬執(zhí)行的性能結(jié)果。這種模擬器的設(shè)計(jì)思路最大的優(yōu)勢(shì)在于完全不需要構(gòu)建并實(shí)現(xiàn)完整的流水線和相關(guān)的硬件部件（包括分支預(yù)測(cè)器和高速緩存器等）進(jìn)行具體地模擬執(zhí)行，有利于簡(jiǎn)化模擬器的設(shè)計(jì)和提升模擬器的性能。本文的主要貢獻(xiàn)包括:
　　分析研究當(dāng)前主流的周期精確模擬器的設(shè)計(jì)思路，發(fā)現(xiàn)并指出了造成此類模擬器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且運(yùn)行速度緩慢的主要原因。分析研究intervalsimulation的設(shè)計(jì)思路，并指出

6、基于計(jì)算模型模擬器與之的不同之處。
　　提出了基于計(jì)算模型模擬器的設(shè)計(jì)思路，并在此基礎(chǔ)上根據(jù)對(duì)目標(biāo)體系結(jié)構(gòu)性能結(jié)果具有重大影響的因素設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)三個(gè)計(jì)算模型，分別為亂序執(zhí)行流水線計(jì)算模型、分支預(yù)測(cè)錯(cuò)誤計(jì)算模型和高速緩存失效計(jì)算模型。
　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于計(jì)算模型模擬器在最終的性能結(jié)果的誤差率僅為2.47％的情況下，和模擬相同目標(biāo)體系結(jié)構(gòu)的一款周期精確模擬器的運(yùn)行速度的加速比達(dá)到了22.74倍，并且實(shí)際的運(yùn)行速度達(dá)到了1.27M