den vorherigen Artikel<\/a><\/noindex>). Dies erm\u00f6glicht es, relativ schnell und kosteng\u00fcnstig den Simulator selbst zu erstellen. Das ISA-Niveau ist zudem vorteilhaft, da es mehr oder weniger konstant bleibt, im Gegensatz zum API\/ABI-Niveau, das h\u00e4ufiger \u00e4ndert. Dar\u00fcber hinaus erlaubt die Implementierung auf Maschinenbefehlsebene das Ausf\u00fchren sogenannter unmodifizierter Bin\u00e4rprogramme, also das Ausf\u00fchren bereits kompilierten Codes ohne \u00c4nderungen, genau so wie er auf echter Hardware verwendet wird. Mit anderen Worten, man kann ein Abbild (\u201eDump\u201c) der Festplatte erstellen, es als Image f\u00fcr das Modell in einem vollwertigen Simulator angeben und \u2013 voil\u00e0! \u2013 das Betriebssystem und andere Programme werden im Simulator ohne zus\u00e4tzliche Ma\u00dfnahmen geladen. <\/p>\nLeistung von Simulatoren <\/h3>\n
Hier ist es passend, das Thema der Leistungsf\u00e4higkeit von Simulatoren zu behandeln. Diese wird normalerweise in IPS (instructions per second) gemessen, genauer gesagt in MIPS (millions IPS), also der Anzahl der Anweisungen, die der Prozessor vom Simulator in einer Sekunde ausf\u00fchrt. Gleichzeitig h\u00e4ngt die Simulationsgeschwindigkeit jedoch auch von der Leistungsf\u00e4higkeit des Systems ab, auf dem die Simulationssoftware l\u00e4uft. Daher w\u00e4re es vielleicht korrekter, von einer \"Verlangsamung\" (slowdown) des Simulators im Vergleich zum Originalsystem zu sprechen. <\/p>\n
Die am h\u00e4ufigsten auf dem Markt verf\u00fcgbaren vollst\u00e4ndigen Plattform-Simulatoren, wie QEMU, VirtualBox oder VmWare Workstation, bieten eine solide Leistung. Oft bemerkt der Nutzer vielleicht nicht einmal, dass die Arbeit in einem Simulator erfolgt. Dies ist m\u00f6glich dank einer speziellen Virtualisierungsfunktion, die in modernen Prozessoren implementiert ist, sowie Algorithmen zur bin\u00e4ren \u00dcbersetzung und weiteren interessanten Aspekten. Das ist alles Stoff f\u00fcr einen eigenen Artikel, aber um es kurz zu machen: Virtualisierung ist eine Hardware-F\u00e4higkeit moderner Prozessoren, die es den Simulatoren erm\u00f6glicht, Anweisungen nicht zu simulieren, sondern sie direkt an den echten Prozessor zur Ausf\u00fchrung zu \u00fcbergeben, vorausgesetzt, die Architekturen des Simulators und des Prozessors stimmen \u00fcberein. Die bin\u00e4re \u00dcbersetzung ist die Umwandlung des Gast-Maschinencodes in den Host-Code, gefolgt von dessen Ausf\u00fchrung auf dem echten Prozessor. Dadurch ist die Simulation nur wenig langsamer, um den Faktor 5-10, und oft l\u00e4uft sie sogar mit der gleichen Geschwindigkeit wie das reale System. Dies h\u00e4ngt jedoch von vielen Faktoren ab. Wenn wir beispielsweise ein System mit mehreren Dutzend Prozessoren simulieren m\u00f6chten, sinkt die Geschwindigkeit sofort um das Mehrfache. Andererseits unterst\u00fctzen Simulatoren wie Simics in den neuesten Versionen mehrprozessorsysteme und parallelisieren die simulierten Kerne effizient auf die Kerne des echten Prozessors. <\/p>\n
Wenn es um die Geschwindigkeit der Mikroarchitektur-Simulation geht, ist diese in der Regel einige Gr\u00f6\u00dfenordnungen, etwa 1000\u201310000 Mal, langsamer als die Ausf\u00fchrung auf einem normalen Computer ohne Simulation. Die Implementierungen auf der Ebene logischer Elemente sind noch um mehrere Gr\u00f6\u00dfenordnungen langsamer. Daher werden FPGAs als Emulatoren auf dieser Ebene verwendet, was die Leistung erheblich steigert. <\/p>\n
Das folgende Diagramm zeigt die ungef\u00e4hre Abh\u00e4ngigkeit der Simulationsgeschwindigkeit vom Detaillierungsgrad des Modells. <\/p>\n
Taktsimulation <\/h3>\n \nTrotz der geringen Ausf\u00fchrungsgeschwindigkeit sind Mikroarchitektur-Simulatoren recht verbreitet. Das Modelling der internen Blocks eines Prozessors ist notwendig, um die Ausf\u00fchrungszeit jeder Anweisung pr\u00e4zise zu simulieren. Hier kann Verwirrung auftreten \u2013 warum sollte man nicht einfach die Ausf\u00fchrungszeit jeder Anweisung programmieren? Ein solcher Simulator w\u00e4re jedoch sehr ungenau, da die Ausf\u00fchrungszeit derselben Anweisung von Aufruf zu Aufruf unterschiedlich sein kann. <\/p>\n
Ein einfaches Beispiel \u2013 die Anweisung zum Zugriff auf den Speicher. Wenn die angeforderte Speicherzelle im Cache verf\u00fcgbar ist, ist die Ausf\u00fchrungszeit minimal. Liegt die Information nicht im Cache vor (ein \"Cache-Miss\"), erh\u00f6ht sich die Ausf\u00fchrungszeit erheblich. Daher ist f\u00fcr eine genaue Simulation ein Cache-Modell erforderlich. Doch das Cache-Modell allein reicht nicht aus. Der Prozessor wartet nicht einfach auf die Beschaffung der Daten aus dem Speicher, wenn diese nicht im Cache vorhanden sind. Stattdessen beginnt er mit der Ausf\u00fchrung der folgenden Anweisungen und w\u00e4hlt dabei solche aus, die von dem Ergebnis des Speicherzugriffs unabh\u00e4ngig sind. Dies nennt man \"Out of Order Execution\" (OOO) und ist notwendig, um die Leerlaufzeit des Prozessors zu minimieren. Bei der Berechnung der Ausf\u00fchrungszeiten muss auch die Simulation der entsprechenden Prozessorbl\u00f6cke ber\u00fccksichtigt werden. Unter diesen Anweisungen, die ausgef\u00fchrt werden, w\u00e4hrend auf das Ergebnis des Speicherzugriffs gewartet wird, kann sich ein bedingter Sprung befinden. Wenn das Ergebnis der Bedingung in diesem Moment unbekannt ist, stoppt der Prozessor die Ausf\u00fchrung nicht, sondern trifft eine \"Vermutung\", f\u00fchrt den entsprechenden Sprung aus und f\u00e4hrt mit dem Vorab-Ausz\u00e4hlen von Anweisungen ab der Sprungstelle fort. Ein solcher Block, der als Branch Predictor bezeichnet wird, muss ebenfalls im Mikroarchitektursimulator implementiert werden. <\/p>\n
Das Bild unten zeigt die Hauptbl\u00f6cke eines Prozessors. Es ist nicht notwendig, diese zu kennen, es dient nur dazu, die Komplexit\u00e4t der mikroarchitektonischen Realisierung zu verdeutlichen. <\/p>\n
Wie oben gezeigt, ist die taktsynchronisierte Simulation sehr langsam, weshalb sie nur bei der Untersuchung bestimmter Aspekte der Programmentwicklung eingesetzt wird, wenn die tats\u00e4chliche Ausf\u00fchrungsgeschwindigkeit und die zuk\u00fcnftige Leistung des zu modellierenden Prototyps ermittelt werden m\u00fcssen. <\/p>\n
F\u00fcr die Simulation der restlichen Programmlaufzeit wird ein funktionaler Simulator eingesetzt. Wie erfolgt eine solche kombinierte Nutzung in der Praxis? Zuerst wird der funktionale Simulator gestartet, auf dem das Betriebssystem und alles Notwendige zum Starten des untersuchten Programms geladen wird. Uns interessiert dabei weder das Betriebssystem selbst noch die Anfangsphasen des Programmstarts, die Konfiguration usw. Allerdings k\u00f6nnen wir diese Teile nicht einfach \u00fcberspringen und direkt zur Ausf\u00fchrung des Programms in der Mitte \u00fcbergehen. Daher werden all diese vorbereitenden Schritte im funktionalen Simulator durchlaufen. Nachdem das Programm bis zu dem f\u00fcr uns interessanten Punkt ausgef\u00fchrt wurde, gibt es zwei M\u00f6glichkeiten. Man kann das Modell auf eine taktorientierte Simulation umstellen und die Ausf\u00fchrung fortsetzen. Der Simulationsmodus, bei dem der ausf\u00fchrbare Code (d.h. regul\u00e4re kompilierte Programmdateien) verwendet wird, wird als ausf\u00fchrungsgesteuerte Simulation (execution driven simulation) bezeichnet. Dies ist die gebr\u00e4uchlichste Art der Simulation. Es gibt auch einen anderen Ansatz \u2013 die Simulation basierend auf Traces (trace driven simulation). <\/p>\n
Simulation basierend auf Traces <\/h3>\n \nDer Prozess besteht aus zwei Schritten. Zun\u00e4chst wird mithilfe eines funktionalen Simulators oder auf einem echten System ein Protokoll der Aktionen des Programms erstellt und in einer Datei gespeichert. Dieses Protokoll wird als Trace bezeichnet. Je nach dem, was untersucht wird, kann der Trace ausf\u00fchrbare Anweisungen, Speicheradressen, Portnummern und Interruptinformationen enthalten. <\/p>\n
Der n\u00e4chste Schritt besteht darin, den Trace \"abzuspielen\", wobei der taktsynchrone Simulator den Trace liest und alle darin aufgezeichneten Anweisungen ausf\u00fchrt. Am Ende erhalten wir die Ausf\u00fchrungszeit dieses Programmabschnitts sowie verschiedene Kennzahlen zu diesem Prozess, wie beispielsweise die Cache-Trefferquote. <\/p>\n
Ein wesentliches Merkmal der Arbeit mit Traces ist die Determiniertheit: Wenn wir die Simulation auf die beschriebene Weise starten, reproduzieren wir immer wieder die gleiche Abfolge von Aktionen. Dadurch k\u00f6nnen wir, indem wir die Modellparameter (Gr\u00f6\u00dfe des Caches, der Buffers und der Warteschlangen) \u00e4ndern und verschiedene interne Algorithmen oder deren Einstellungen verwenden, untersuchen, wie sich jeweils bestimmte Parameter auf die Systemleistung auswirken und welche Variante die besten Ergebnisse liefert. All dies kann mit dem Prototypenmodell durchgef\u00fchrt werden, bevor ein echtes Hardware-Prototyp erstellt wird. <\/p>\n
Die Komplexit\u00e4t dieses Ansatzes liegt in der Notwendigkeit, die Anwendung vorher zu testen und den Trace zu erfassen, sowie in der riesigen Dateigr\u00f6\u00dfe des Traces. Ein Vorteil ist, dass es gen\u00fcgt, nur den interessierenden Teil des Ger\u00e4ts oder der Plattform zu modellieren, w\u00e4hrend die Ausf\u00fchrungssimulation in der Regel ein vollst\u00e4ndiges Modell erfordert. <\/p>\n
In diesem Artikel haben wir die Merkmale der vollst\u00e4ndigen Plattform-Simulation betrachtet, \u00fcber die Implementierungsgeschwindigkeit auf verschiedenen Ebenen, taktile Simulationen und Strecken gesprochen. Im n\u00e4chsten Artikel werde ich die Hauptanwendungsf\u00e4lle von Simulatoren beschreiben, sowohl f\u00fcr private Zwecke als auch aus der Sicht der Entwicklung in gro\u00dfen Unternehmen.habr.com<\/a> <\/p>","protected":false,"gt_translate_keys":[{"key":"rendered","format":"html"}]},"excerpt":{"rendered":"\u0412\u043e \u0432\u0442\u043e\u0440\u043e\u0439 \u0447\u0430\u0441\u0442\u0438 \u0441\u0442\u0430\u0442\u044c\u0438 \u043e \u0441\u0438\u043c\u0443\u043b\u044f\u0442\u043e\u0440\u0430\u0445 \u043a\u043e\u043c\u043f\u044c\u044e\u0442\u0435\u0440\u043d\u044b\u0445 \u0441\u0438\u0441\u0442\u0435\u043c \u043f\u0440\u043e\u0434\u043e\u043b\u0436\u0443 \u0440\u0430\u0441\u0441\u043a\u0430\u0437\u044b\u0432\u0430\u0442\u044c \u0432 \u043f\u0440\u043e\u0441\u0442\u043e\u0439 \u043e\u0437\u043d\u0430\u043a\u043e\u043c\u0438\u0442\u0435\u043b\u044c\u043d\u043e\u0439 \u0444\u043e\u0440\u043c\u0435 \u043e \u043a\u043e\u043c\u043f\u044c\u044e\u0442\u0435\u0440\u043d\u044b\u0445 \u0441\u0438\u043c\u0443\u043b\u044f\u0442\u043e\u0440\u0430\u0445, \u0430 \u0438\u043c\u0435\u043d\u043d\u043e \u043e \u043f\u043e\u043b\u043d\u043e\u043f\u043b\u0430\u0442\u0444\u043e\u0440\u043c\u0435\u043d\u043d\u043e\u0439 \u0441\u0438\u043c\u0443\u043b\u044f\u0446\u0438\u0438, \u0441 \u043a\u043e\u0442\u043e\u0440\u043e\u0439 \u0447\u0430\u0449\u0435 \u0432\u0441\u0435\u0433\u043e \u0441\u0442\u0430\u043b\u043a\u0438\u0432\u0430\u0435\u0442\u0441\u044f \u043e\u0431\u044b\u0447\u043d\u044b\u0439 \u043f\u043e\u043b\u044c\u0437\u043e\u0432\u0430\u0442\u0435\u043b\u044c, \u0430 \u0442\u0430\u043a\u0436\u0435 \u043e \u043f\u043e\u0442\u0430\u043a\u0442\u043e\u0432\u043e\u0439 \u043c\u043e\u0434\u0435\u043b\u0438 \u0438 \u0442\u0440\u0430\u0441\u0441\u0430\u0445, \u043a\u043e\u0442\u043e\u0440\u044b\u0435 \u0431\u043e\u043b\u044c\u0448\u0435 \u0440\u0430\u0441\u043f\u0440\u043e\u0441\u0442\u0440\u0430\u043d\u0435\u043d\u044b \u0432 \u043a\u0440\u0443\u0433\u0430\u0445 \u0440\u0430\u0437\u0440\u0430\u0431\u043e\u0442\u0447\u0438\u043a\u043e\u0432. \u0412 \u043f\u0435\u0440\u0432\u043e\u0439 \u0447\u0430\u0441\u0442\u0438 \u044f \u0440\u0430\u0441\u0441\u043a\u0430\u0437\u0430\u043b, \u0447\u0442\u043e \u0442\u0430\u043a\u043e\u0435 \u0441\u0438\u043c\u0443\u043b\u044f\u0442\u043e\u0440\u044b \u0432\u043e\u043e\u0431\u0449\u0435, \u0430 \u0442\u0430\u043a\u0436\u0435 \u043e\u0431 \u0443\u0440\u043e\u0432\u043d\u044f\u0445 […]<\/p>\n","protected":false,"gt_translate_keys":[{"key":"rendered","format":"html"}]},"author":1,"featured_media":87137,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"footnotes":""},"categories":[688],"tags":[],"class_list":["post-87136","post","type-post","status-publish","format-standard","has-post-thumbnail","hentry","category-administrirovanie"],"aioseo_notices":[],"aioseo_head":"\n\t\t\n\t
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