কম্পিউটার সিস্টেমের সিমুলেটর: একটি পরিচিত পূর্ণ-প্ল্যাটফর্ম সিমুলেটর এবং অজানা ঘড়ির কাঁটার দিকে এবং ট্রেস

কম্পিউটার সিস্টেম সিমুলেটর সম্পর্কে নিবন্ধের দ্বিতীয় অংশে, আমি কম্পিউটার সিমুলেটর সম্পর্কে একটি সাধারণ পরিচায়ক আকারে কথা বলতে থাকব, যেমন পূর্ণ-প্ল্যাটফর্ম সিমুলেশন সম্পর্কে, যা গড় ব্যবহারকারী প্রায়শই সম্মুখীন হয়, সেইসাথে ঘড়ি দ্বারা -ঘড়ির মডেল এবং ট্রেস, যা বিকাশকারী চেনাশোনাগুলিতে বেশি সাধারণ।

В প্রথম অংশ আমি সাধারণভাবে সিমুলেটরগুলি কী, সেইসাথে সিমুলেশনের স্তরগুলি সম্পর্কে কথা বলেছি। এখন, সেই জ্ঞানের উপর ভিত্তি করে, আমি একটু গভীরে ডুব দেওয়ার এবং পূর্ণ-প্ল্যাটফর্ম সিমুলেশন, কীভাবে ট্রেস সংগ্রহ করতে হয়, সেগুলি নিয়ে পরে কী করতে হবে, সেইসাথে ঘড়ি-বাই-ঘড়ি মাইক্রোআর্কিটেকচারাল এমুলেশন সম্পর্কে কথা বলার প্রস্তাব করছি।

সম্পূর্ণ প্ল্যাটফর্ম সিমুলেটর, বা "ক্ষেত্রে একা একজন যোদ্ধা নয়"

আপনি যদি একটি নির্দিষ্ট ডিভাইসের ক্রিয়াকলাপ অধ্যয়ন করতে চান, উদাহরণস্বরূপ, একটি নেটওয়ার্ক কার্ড, বা এই ডিভাইসের জন্য ফার্মওয়্যার বা ড্রাইভার লিখুন, তাহলে এই জাতীয় ডিভাইসটি আলাদাভাবে সিমুলেট করা যেতে পারে। যাইহোক, বাকি অবকাঠামো থেকে বিচ্ছিন্নভাবে এটি ব্যবহার করা খুব সুবিধাজনক নয়। সংশ্লিষ্ট ড্রাইভার চালানোর জন্য, আপনার একটি কেন্দ্রীয় প্রসেসর, মেমরি, একটি ডেটা বাসে অ্যাক্সেস ইত্যাদির প্রয়োজন হবে। উপরন্তু, ড্রাইভারের একটি অপারেটিং সিস্টেম (OS) এবং কাজ করার জন্য একটি নেটওয়ার্ক স্ট্যাক প্রয়োজন। উপরন্তু, একটি পৃথক প্যাকেট জেনারেটর এবং প্রতিক্রিয়া সার্ভার প্রয়োজন হতে পারে.

একটি পূর্ণ-প্ল্যাটফর্ম সিমুলেটর একটি সম্পূর্ণ সফ্টওয়্যার স্ট্যাক চালানোর জন্য একটি পরিবেশ তৈরি করে, যার মধ্যে BIOS এবং বুটলোডার থেকে OS এবং এর বিভিন্ন সাবসিস্টেম, যেমন একই নেটওয়ার্ক স্ট্যাক, ড্রাইভার এবং ব্যবহারকারী-স্তরের অ্যাপ্লিকেশনগুলি অন্তর্ভুক্ত থাকে। এটি করার জন্য, এটি বেশিরভাগ কম্পিউটার ডিভাইসের সফ্টওয়্যার মডেলগুলি প্রয়োগ করে: প্রসেসর এবং মেমরি, ডিস্ক, ইনপুট/আউটপুট ডিভাইস (কীবোর্ড, মাউস, ডিসপ্লে), পাশাপাশি একই নেটওয়ার্ক কার্ড।

নীচে Intel থেকে x58 চিপসেটের একটি ব্লক ডায়াগ্রাম রয়েছে। এই চিপসেটে একটি পূর্ণ-প্ল্যাটফর্ম কম্পিউটার সিমুলেটরের জন্য IOH (ইনপুট/আউটপুট হাব) এবং ICH (ইনপুট/আউটপুট কন্ট্রোলার হাব) সহ তালিকাভুক্ত বেশিরভাগ ডিভাইসের বাস্তবায়ন প্রয়োজন, যেগুলি ব্লক ডায়াগ্রামে বিস্তারিতভাবে চিত্রিত করা হয়নি। . যদিও, অনুশীলন দেখায়, আমরা যে সফ্টওয়্যারটি চালাতে যাচ্ছি তার দ্বারা ব্যবহৃত হয় না এমন অনেক ডিভাইস নেই। এই ধরনের ডিভাইসের মডেল তৈরি করার প্রয়োজন নেই।

প্রায়শই, পূর্ণ-প্ল্যাটফর্ম সিমুলেটরগুলি প্রসেসর নির্দেশের স্তরে প্রয়োগ করা হয় (আইএসএ, নীচে দেখুন)। পূর্ববর্তী নিবন্ধ) এটি আপনাকে তুলনামূলকভাবে দ্রুত এবং সস্তায় সিমুলেটর তৈরি করতে দেয়। ISA স্তরটিও ভাল কারণ এটি কমবেশি স্থির থাকে, উদাহরণস্বরূপ, API/ABI স্তরের বিপরীতে, যা প্রায়শই পরিবর্তিত হয়। উপরন্তু, নির্দেশের স্তরে বাস্তবায়ন আপনাকে তথাকথিত অপরিবর্তিত বাইনারি সফ্টওয়্যার চালানোর অনুমতি দেয়, অর্থাৎ, কোনো পরিবর্তন ছাড়াই ইতিমধ্যে কম্পাইল করা কোড চালান, ঠিক যেমন এটি বাস্তব হার্ডওয়্যারে ব্যবহৃত হয়। অন্য কথায়, আপনি আপনার হার্ড ড্রাইভের একটি অনুলিপি ("ডাম্প") তৈরি করতে পারেন, এটিকে একটি পূর্ণ-প্ল্যাটফর্ম সিমুলেটরে একটি মডেলের জন্য একটি চিত্র হিসাবে উল্লেখ করতে পারেন এবং ভয়েলা! - অপারেটিং সিস্টেম এবং অন্যান্য প্রোগ্রামগুলি সিমুলেটরে লোড করা হয় কোন অতিরিক্ত ক্রিয়া ছাড়াই।

সিমুলেটর কর্মক্ষমতা

ঠিক উপরে উল্লিখিত হিসাবে, সমগ্র সিস্টেম অনুকরণের প্রক্রিয়া, অর্থাৎ, এর সমস্ত ডিভাইস, একটি বরং ধীর উদ্যোগ। আপনি যদি এই সমস্তটি খুব বিশদ স্তরে প্রয়োগ করেন, উদাহরণস্বরূপ, মাইক্রোআর্কিটেকচারাল বা যৌক্তিক, তবে সম্পাদন অত্যন্ত ধীর হয়ে যাবে। কিন্তু নির্দেশের স্তরটি একটি উপযুক্ত পছন্দ এবং OS এবং প্রোগ্রামগুলিকে ব্যবহারকারীর সাথে স্বাচ্ছন্দ্যে যোগাযোগ করার জন্য পর্যাপ্ত গতিতে চালানোর অনুমতি দেয়।

এখানে সিমুলেটর পারফরম্যান্সের বিষয়টিতে স্পর্শ করা উপযুক্ত হবে। এটি সাধারণত আইপিএস (প্রতি সেকেন্ডে নির্দেশাবলী) এ পরিমাপ করা হয়, আরও সুনির্দিষ্টভাবে এমআইপিএস (মিলিয়ন আইপিএস), অর্থাৎ এক সেকেন্ডে সিমুলেটর দ্বারা নির্বাহিত প্রসেসর নির্দেশের সংখ্যা। একই সময়ে, সিমুলেশনের গতি সেই সিস্টেমের কর্মক্ষমতার উপরও নির্ভর করে যার উপর সিমুলেশন নিজেই চলে। অতএব, মূল সিস্টেমের তুলনায় সিমুলেটরের "মন্থরতা" সম্পর্কে কথা বলা আরও সঠিক হতে পারে।

বাজারে সবচেয়ে সাধারণ ফুল-প্ল্যাটফর্ম সিমুলেটর, যেমন QEMU, VirtualBox বা VmWare ওয়ার্কস্টেশনের পারফরম্যান্স ভালো। এমনকি এটি ব্যবহারকারীর কাছে লক্ষ্য করা যায় না যে সিমুলেটরে কাজ চলছে। প্রসেসর, বাইনারি ট্রান্সলেশন অ্যালগরিদম এবং অন্যান্য আকর্ষণীয় জিনিসগুলিতে প্রয়োগ করা বিশেষ ভার্চুয়ালাইজেশন ক্ষমতার জন্য এটি ঘটে। এটি একটি পৃথক নিবন্ধের জন্য একটি বিষয়, তবে সংক্ষেপে, ভার্চুয়ালাইজেশন আধুনিক প্রসেসরগুলির একটি হার্ডওয়্যার বৈশিষ্ট্য যা সিমুলেটরকে নির্দেশাবলী অনুকরণ করতে দেয় না, তবে সেগুলিকে সরাসরি একটি বাস্তব প্রসেসরে কার্যকর করার জন্য পাঠাতে দেয়, যদি অবশ্যই, আর্কিটেকচার সিমুলেটর এবং প্রসেসর একই রকম। বাইনারি ট্রান্সলেশন হল গেস্ট মেশিন কোডের হোস্ট কোডে অনুবাদ করা এবং পরবর্তীতে বাস্তব প্রসেসরে এক্সিকিউশন করা। ফলস্বরূপ, সিমুলেশনটি শুধুমাত্র সামান্য ধীর, 5-10 বার, এবং প্রায়শই এমনকি বাস্তব সিস্টেমের মতো একই গতিতেও চলে। যদিও এটি অনেক কারণ দ্বারা প্রভাবিত হয়। উদাহরণস্বরূপ, যদি আমরা কয়েক ডজন প্রসেসরের সাথে একটি সিস্টেমকে অনুকরণ করতে চাই, তাহলে গতি অবিলম্বে এই কয়েক ডজন বার কমে যাবে। অন্যদিকে, সাম্প্রতিক সংস্করণে সিমিক্সের মতো সিমুলেটরগুলি মাল্টিপ্রসেসর হোস্ট হার্ডওয়্যারকে সমর্থন করে এবং কার্যকরভাবে সিমুলেটেড কোরগুলিকে একটি বাস্তব প্রসেসরের কোরের সাথে সমান্তরাল করে।

যদি আমরা মাইক্রোআর্কিটেকচারাল সিমুলেশনের গতি সম্পর্কে কথা বলি, তবে এটি সাধারণত অনেকগুলি মাত্রার অর্ডার, সিমুলেশন ছাড়াই নিয়মিত কম্পিউটারে চালানোর চেয়ে প্রায় 1000-10000 গুণ ধীর। এবং যৌক্তিক উপাদানগুলির স্তরে বাস্তবায়নগুলি বিভিন্ন মাত্রার আদেশ দ্বারা ধীর হয়৷ অতএব, একটি FPGA এই স্তরে একটি এমুলেটর হিসাবে ব্যবহৃত হয়, যা উল্লেখযোগ্যভাবে কর্মক্ষমতা বৃদ্ধি করতে পারে।

নীচের গ্রাফটি মডেলের বিবরণের উপর সিমুলেশন গতির আনুমানিক নির্ভরতা দেখায়।

বীট বাই বিট সিমুলেশন

তাদের কম কার্যকর করার গতি সত্ত্বেও, মাইক্রোআর্কিটেকচারাল সিমুলেটরগুলি বেশ সাধারণ। প্রসেসরের অভ্যন্তরীণ ব্লকগুলির সিমুলেশন প্রতিটি নির্দেশের কার্যকর করার সময় সঠিকভাবে অনুকরণ করার জন্য প্রয়োজনীয়। এখানে ভুল বোঝাবুঝি দেখা দিতে পারে - সর্বোপরি, মনে হবে, কেন প্রতিটি নির্দেশের জন্য কেবল কার্যকর করার সময়টি প্রোগ্রাম করবেন না। কিন্তু এই ধরনের একটি সিমুলেটর খুব ভুল হবে, যেহেতু একই নির্দেশের কার্যকর করার সময় কল থেকে কলে ভিন্ন হতে পারে।

সহজ উদাহরণ একটি মেমরি অ্যাক্সেস নির্দেশ. যদি অনুরোধকৃত মেমরি অবস্থান ক্যাশে উপলব্ধ হয়, তাহলে সঞ্চালনের সময় ন্যূনতম হবে। যদি এই তথ্যটি ক্যাশে না থাকে ("ক্যাশে মিস"), তবে এটি নির্দেশনা কার্যকর করার সময়কে ব্যাপকভাবে বাড়িয়ে তুলবে। এইভাবে, সঠিক সিমুলেশনের জন্য একটি ক্যাশে মডেল প্রয়োজন। তবে বিষয়টি ক্যাশ মডেলের মধ্যে সীমাবদ্ধ নয়। প্রসেসর ক্যাশে না থাকলে মেমরি থেকে ডেটা পুনরুদ্ধার করার জন্য কেবল অপেক্ষা করবে না। পরিবর্তে, এটি পরবর্তী নির্দেশাবলী কার্যকর করা শুরু করবে, যেগুলি মেমরি থেকে পড়ার ফলাফলের উপর নির্ভর করে না সেগুলি বেছে নিয়ে। এটি তথাকথিত "আউট অফ অর্ডার" এক্সিকিউশন (ওওও, অর্ডারের বাইরে এক্সিকিউশন), প্রসেসরের অলস সময় কমানোর জন্য প্রয়োজনীয়। নির্দেশাবলী কার্যকর করার সময় গণনা করার সময় সংশ্লিষ্ট প্রসেসর ব্লকগুলির মডেলিং এই সমস্ত কিছু বিবেচনায় নিতে সহায়তা করবে। এই নির্দেশাবলীর মধ্যে, মেমরি থেকে পড়ার ফলাফল প্রতীক্ষিত থাকাকালীন কার্যকর করা হয়, একটি শর্তাধীন জাম্প অপারেশন ঘটতে পারে। যদি এই মুহুর্তে শর্তের ফলাফল অজানা থাকে, তবে আবার প্রসেসরটি কার্যকর করা বন্ধ করে না, তবে একটি "অনুমান" করে, উপযুক্ত শাখাটি সম্পাদন করে এবং পরিবর্তনের বিন্দু থেকে সক্রিয়ভাবে নির্দেশাবলী সম্পাদন করতে থাকে। এই ধরনের একটি ব্লক, যাকে একটি শাখা ভবিষ্যদ্বাণী বলা হয়, মাইক্রোআর্কিটেকচারাল সিমুলেটরেও প্রয়োগ করা আবশ্যক।

নীচের ছবিটি প্রসেসরের প্রধান ব্লকগুলি দেখায়, এটি জানার প্রয়োজন নেই, এটি শুধুমাত্র মাইক্রোআর্কিটেকচারাল বাস্তবায়নের জটিলতা দেখানোর জন্য দেখানো হয়েছে।

একটি বাস্তব প্রসেসরে এই সমস্ত ব্লকের ক্রিয়াকলাপ বিশেষ ঘড়ি সংকেত দ্বারা সিঙ্ক্রোনাইজ করা হয় এবং মডেলটিতেও এটি ঘটে। এই ধরনের একটি মাইক্রোআর্কিটেকচারাল সিমুলেটরকে চক্র নির্ভুল বলা হয়। এর মূল উদ্দেশ্য হল প্রসেসরের বিকাশের কার্যকারিতা সঠিকভাবে অনুমান করা এবং/অথবা একটি নির্দিষ্ট প্রোগ্রামের কার্যকর করার সময় গণনা করা, উদাহরণস্বরূপ, একটি বেঞ্চমার্ক। যদি মানগুলি প্রয়োজনের চেয়ে কম হয়, তবে অ্যালগরিদম এবং প্রসেসর ব্লকগুলি সংশোধন করতে বা প্রোগ্রামটি অপ্টিমাইজ করতে হবে।

উপরে দেখানো হিসাবে, ঘড়ি দ্বারা ঘড়ির সিমুলেশন খুব ধীর, তাই এটি শুধুমাত্র একটি প্রোগ্রামের অপারেশনের নির্দিষ্ট মুহূর্তগুলি অধ্যয়ন করার সময় ব্যবহার করা হয়, যেখানে এটি প্রোগ্রাম কার্যকর করার প্রকৃত গতি খুঁজে বের করতে এবং ডিভাইসের ভবিষ্যত কার্যকারিতা মূল্যায়ন করা প্রয়োজন যার প্রোটোটাইপ সিমুলেট করা হচ্ছে।

এই ক্ষেত্রে, প্রোগ্রামের অবশিষ্ট চলমান সময় অনুকরণ করতে একটি কার্যকরী সিমুলেটর ব্যবহার করা হয়। কিভাবে ব্যবহার এই সমন্বয় বাস্তবে ঘটবে? প্রথমত, কার্যকরী সিমুলেটর চালু করা হয়েছে, যার উপর অধ্যয়নের অধীনে প্রোগ্রাম চালানোর জন্য ওএস এবং প্রয়োজনীয় সবকিছু লোড করা হয়। সর্বোপরি, আমরা OS নিজেই আগ্রহী নই, না প্রোগ্রামটি চালু করার প্রাথমিক পর্যায়ে, এর কনফিগারেশন ইত্যাদিতে। যাইহোক, আমরা এই অংশগুলি এড়িয়ে যেতে পারি না এবং অবিলম্বে মাঝখান থেকে প্রোগ্রামটি কার্যকর করতে যেতে পারি। অতএব, এই সমস্ত প্রাথমিক পদক্ষেপগুলি একটি কার্যকরী সিমুলেটরে চালিত হয়। প্রোগ্রামটি আমাদের আগ্রহের মুহুর্তে কার্যকর হওয়ার পরে, দুটি বিকল্প সম্ভব। আপনি একটি ঘড়ি-বাই-সাইকেল মডেলের সাথে মডেলটি প্রতিস্থাপন করতে পারেন এবং সম্পাদন চালিয়ে যেতে পারেন। সিমুলেশন মোড যা এক্সিকিউটেবল কোড ব্যবহার করে (অর্থাৎ নিয়মিত কম্পাইল করা প্রোগ্রাম ফাইল) তাকে বলা হয় এক্সিকিউশন চালিত সিমুলেশন। এটি সবচেয়ে সাধারণ সিমুলেশন বিকল্প। আরেকটি পদ্ধতিও সম্ভব - ট্রেস চালিত সিমুলেশন।

ট্রেস-ভিত্তিক সিমুলেশন

এটি দুটি ধাপ নিয়ে গঠিত। একটি কার্যকরী সিমুলেটর ব্যবহার করে বা একটি বাস্তব সিস্টেমে, প্রোগ্রাম কর্মের একটি লগ সংগ্রহ করা হয় এবং একটি ফাইলে লেখা হয়। এই লগ একটি ট্রেস বলা হয়. কি পরীক্ষা করা হচ্ছে তার উপর নির্ভর করে, ট্রেসে এক্সিকিউটেবল নির্দেশাবলী, মেমরির ঠিকানা, পোর্ট নম্বর এবং বাধা তথ্য অন্তর্ভুক্ত থাকতে পারে।

পরবর্তী ধাপটি হল ট্রেসটিকে "বাজানো", যখন ঘড়ি-বাই-ক্লক সিমুলেটর ট্রেসটি পড়ে এবং এতে লেখা সমস্ত নির্দেশাবলী কার্যকর করে। শেষে, আমরা প্রোগ্রামের এই অংশটির সম্পাদনের সময়, সেইসাথে এই প্রক্রিয়ার বিভিন্ন বৈশিষ্ট্য, উদাহরণস্বরূপ, ক্যাশে হিটের শতাংশ পাই।

ট্রেসগুলির সাথে কাজ করার একটি গুরুত্বপূর্ণ বৈশিষ্ট্য হ'ল নির্ণয়বাদ, অর্থাৎ, উপরে বর্ণিত পদ্ধতিতে সিমুলেশন চালানোর মাধ্যমে, বারবার আমরা একই ক্রিয়াগুলির ক্রম পুনরুত্পাদন করি। এটি মডেল প্যারামিটার (ক্যাশে, বাফার এবং সারি আকার) পরিবর্তন করে এবং বিভিন্ন অভ্যন্তরীণ অ্যালগরিদম ব্যবহার করে বা তাদের টিউনিং করে, কীভাবে একটি নির্দিষ্ট প্যারামিটার সিস্টেমের কার্যকারিতাকে প্রভাবিত করে এবং কোন বিকল্পটি সেরা ফলাফল দেয় তা অধ্যয়ন করা সম্ভব করে তোলে। একটি প্রকৃত হার্ডওয়্যার প্রোটোটাইপ তৈরি করার আগে এই সমস্ত একটি প্রোটোটাইপ ডিভাইস মডেল দিয়ে করা যেতে পারে।

এই পদ্ধতির জটিলতাটি প্রথমে অ্যাপ্লিকেশন চালানো এবং ট্রেস সংগ্রহ করার প্রয়োজনীয়তার মধ্যে রয়েছে, সেইসাথে ট্রেস ফাইলের বিশাল আকার। সুবিধার মধ্যে রয়েছে যে ডিভাইসের শুধুমাত্র অংশ বা আগ্রহের প্ল্যাটফর্মের অনুকরণ করা যথেষ্ট, যখন সঞ্চালনের দ্বারা সিমুলেশন সাধারণত একটি সম্পূর্ণ মডেলের প্রয়োজন হয়।

সুতরাং, এই নিবন্ধে আমরা পূর্ণ-প্ল্যাটফর্ম সিমুলেশনের বৈশিষ্ট্যগুলি দেখেছি, বিভিন্ন স্তরে বাস্তবায়নের গতি, ঘড়ি-বাই-সাইকেল সিমুলেশন এবং ট্রেস সম্পর্কে কথা বলেছি। পরবর্তী নিবন্ধে আমি সিমুলেটর ব্যবহার করার জন্য প্রধান পরিস্থিতি বর্ণনা করব, উভয় ব্যক্তিগত উদ্দেশ্যে এবং বড় কোম্পানিতে উন্নয়নের দৃষ্টিকোণ থেকে।

উত্স: www.habr.com