Arvutisüsteemide simulaatorid: kõigile tuntud üleplatvormiline simulaator ja kellelegi tundmatu potentsiaalne ja rajad

Artiklis, mille teises osas räägin arvutisimulaatoritest, jätkan lihtsas tutvustavas vormis selgitamist arvutisimulaatorite kohta, nimelt täisplatvormilisest simuleerimisest, millega tavaline kasutaja kõige sagedamini kokku puutub, samuti taktile mudelist ja radadest, mis on arendajate seas laialdasemalt levinud.

Uues esimeses osas Rääkisin, mis on simulaatorid üldiselt, samuti modelleerimise tasemetest. Nüüd soovitan põhjalikumale süvenemisele ning räägin täisplatvormilisest simuleerimisest, kuidas rajada radu, mida nende radadega hiljem teha, ning taktilisest mikroarhitektuuri emuleerimisest.

Täisplatvormiline simulaator (full platform simulator), või "Üks pole sõdalane".

Kui on vaja uurida ühe konkreetse seadme toimimist, näiteks võrkaart, või kirjutada sellele seadmele püsivara või draiver, saab seda seadet simuleerida eraldi. Kuid kui teised infrastruktuurist eraldisseadmed pole väga mugavad, on vajalik sellise draiveri käivitamiseks keskpink, mälu, juurdepääs andmeside bussile ja palju muud. Lisaks on vaja tööks draiveri jaoks ka operatsioonisüsteemi (OS) ja võrgu steki. Tootmiseks võib olla vajalik ka eraldi paketi generaator ja vastuste vastuvõtu server.

Täisplatvormiline simulaator loob keskkonna, et käivitada täis tarkvarastakku, mis hõlmab kõike alates BIOS-ist ja laadijast kuni operatsioonisüsteemi ja erinevate alamsüsteemideni, nagu sama võrgusteek, draiverid, kasutaja taseme rakendused. Selleks on selles sisseehitatud tarkvamudelid enamusest arvuti seadmetest: protsessor ja mälu, ketas, sisend-väljund seadmed (klaviatuur, hiir, ekraan), samuti see sama võrkaart.

Allpool on Intel'i x58 kiibistikku plokkdiagramm. Täielikul platvormisimulaatoril, mis põhineb sellel kiibistikul, on enamiku loetletud seadmete rakendamine vajalik, sealhulgas ka neid, mis asuvad IOH (sisendi/väljundi sõlmes) ja ICH (sisendi/väljundi kontrolleri sõlmes), mis ei ole plokkdiagrammil detailiselt joonistatud. Kuigi praktika näitab, et pole sugugi vähe seadmeid, mida see tarkvara, mida plaanime käivitada, ei kasuta. Selliste seadmete mudeleid ei pruugi olla vaja luua.

Kõige sagedamini rakendatakse täielikke platvormisimulaatoreid protsessori käsu (ISA) tasemel (vt. eelmist artiklit). See võimaldab suhelda suhteliselt kiiresti ja odavalt simulaatori loomisega. ISA tase on ka hea selle poolest, et jääb enam-vähem püsivaks, erinevalt näiteks API/ABI tasemest, mis muutub tihedamini. Lisaks võimaldab käsutamise tasemel käivitada nn muutmata binaarsed tarkvarad, st juba kompileeritud koodi käivitamine ilma muudatusteta, täpselt nii, nagu seda kasutatakse reaalses riistvaras. Teisisõnu, saab teha kõvaketta koopia ('dump'), määrata selle kujutiseks platvormisimulaatori mudelis ja - voilà! - OS ja muud programmid laaditakse simulaatorisse ilma täiendavate toiminguteta.

Simulaatorite jõudlus

Nagu juba eespool mainitud, on kogu süsteemi simuleerimise protsess, st kõigi seadmete, üsna aeglane ettevõtmine. Kui rakendada seda ka väga detailsel tasemel, näiteks mikroarhitektuuril või loogiliselt, siis täitmine muutub äärmiselt aeglaseks. Küll aga on käsu tase sobiv valik ja võimaldab OSid ja programme töötada kasutaja mugavaks suhtlemiseks piisava kiirusena.

Siin on õige puudutada simulaatorite jõudluse teemat. Seda mõõdetakse tavaliselt IPS (käskluste sekundis), täpsemalt MIPS (miljonit IPS), st protsessori käskluste arv, mida simulaator täidab ühe sekundi jooksul. Samas sõltub simuleerimise kiirus ka süsteemi jõudlusest, millel simuleerimine ise käib. Seetõttu võib olla õiglasem rääkida simulaatori 'aeglustumisest' originaalsüsteemi võrreldes.

Turulised täielikud platvormsimulaatorid, nagu QEMU, VirtualBox või VmWare Workstation, pakuvad head jõudlust. Kasutaja ei pruugi isegi märgata, et töö käib simulaatoris. See juhtub tänu protsessorites rakendatud spetsiaalsele virtualiseerimisvõimele, binaarse tõlke algoritmidele ja muudele huvitavatele asjadele. See on kõik eraldi artikli teema, kuid kui lühidalt öelda, siis virtualiseerimine on kaasaegsete protsessorite riistvaraline võime, mis võimaldab simulaatoritel mitte simuleerida instruktsioone, vaid anda need otse reaalsesse protsessorisse, kui simulaatori ja protsessori arhitektuurid on sarnased. Binaarne tõlge on külalismasina koodi tõlkimine hostkoodiks ja selle täitmine reaalses protsessoris. Selle tulemusel on simuleerimine vaid veidi aeglasem, 5-10 korda, ja tihti töötab see sama kiirusel nagu reaalne süsteem. Siiski mõjutab seda väga palju tegureid. Näiteks, kui me soovime simuleerida süsteemi mitme kümne protsessoriga, siis kiirus langeb kohe mitmekümne korra. Teisest küljest toetavad viimaste versioonide Simics tüüpi simulaatorid mitme protsessoriga hostarvutit ja jaotavad tõhusalt simuleeritud tuumad reaalse protsessori tuumadele.

Kui rääkida mikroarhitektuuri simuleerimise kiirusest, siis see on tavaliselt mitme järgu, ligikaudu 1000-10000 korda aeglasem kui tavalise arvuti täitmine, ilma simuleerimiseta. Ja loogiliste elementide tasemel teostused on veelgi aeglasemad. Seetõttu kasutatakse sellise taseme emulaatorina FPGA-d, mis võimaldab oluliselt suurendada jõudlust.

Allolev graafik näitab ligikaudset sõltuvust simuleerimise kiirusest mudeli detailide arvu järgi.

Taktiline simuleerimine

Kuigi mikroarhitektuuri simulaatorite teostuskiirus on madal, on need siiski üsna levinud. Protsessori sisemiste plokkide modelleerimine on vajalik, et täpselt simuleerida iga käsu teostusaega. Siin võib tekkida arusaamatus – tundub ju, et võiks lihtsalt programmeerida iga käsu teostusaega. Kuid selline simulaator töötaks väga ebat täpselt, kuna sama käsu teostusaeg võib varieeruda sõltuvalt kutsest.

Lihtsaim näide on mälu juurdepääsu käsu puhul. Kui nõutud mälu rakk on vahemälus saadaval, siis on teostusaeg minimaalne. Kui antud teave vahemälus puudub ("vahemälu vimma", cache miss), siis suurendab see käsu teostusaega oluliselt. Seega, et simuleerida täpselt, on vajalik vahemälu mudel. Kuid vahemälu mudel ei ole ainuke asi. Protsessor ei hakka lihtsalt ootama andmete saamist mälust, kui need ei ole vahemälus. Selle asemel alustab ta järgmiste käskude täitmist, valides need, mis ei sõltu mälust lugemise tulemusest. See on nn "mittejärgnev täitmine" (OOO, out of order execution), mis on vajalik protsessori seisaku aja vähendamiseks. Kõik see aitab käsu teostusaega arvutada, kui modelleerida vastavaid protsessori plokke. Selliste käskude seas, mida täidetakse, kuni oodatakse mälust lugemise tulemust, võib olla ka tingimusliku ülemineku operatsioon. Kui tingimuse teostamise tulemus ei ole praegu teada, siis protsessor ei peata täitmist, vaid teeb "eeldamise", täidab vastava ülemineku ja jätkab ennetavalt käskude täitmist ülemineku kohast. Selline plokk, mida nimetatakse branch predictor'iks, peab samuti olema mikroarhitektuuri simulaatoris rakendatud.

Allolev pilt näitab protsessori peamisi plokke; selle tundmine ei ole vajalik, see on vaid esitatud mikroarhitektuuri teostuse keerukuse näitamiseks.

Kõikide nende plokkide töö reaalsetes protsessorites sünkroniseeritakse spetsiaalsete taktsignaalidega, sarnaselt toimub see ka mudelis. Sellist mikroarhitektuurilist simulaatorit nimetatakse taktisünkroonseks (cycle accurate). Selle peamine eesmärk on täpselt ennustada arendatava protsessori jõudlust ja/või arvutada teatud programmi, näiteks mingisuguse benchmark'i, täitmise aega. Kui väärtused jäävad madalamaks, kui vajalik, tuleb algoritme ja protsessori blokke täiustada või programmi optimeerida.

Nagu eespool näidatud, on taktisünkroonne simuleerimine väga aeglane, seetõttu kasutatakse seda ainult teatud programmide töö uurimiseks, kus on oluline teada programmide tegelikku täitmiskiirus ja hinnata seadme tulevast jõudlust, mille prototüüpi simuleeritakse.

Samas kasutatakse ülejäänud programmi töö simuleerimiseks funktsionaalset simulaatorit. Kuidas selline kombineeritud kasutamine reaalses elus toimub? Esiteks käivitatakse funktsionaalne simulaator, kuhu laaditakse käitussüsteem (OS) ja kõik vajalikud kokku, et käivitada uuritav programm. Meid ei huvita ei OS ise, ega programmi käivitamise algstaadiumid, selle konfigureerimine ja muu. Kuid me ei saa ka neid osi vahele jätta ja minna otse programmi täitmise juurde keskelt. Seetõttu käiakse kõik need ettevalmistavad etapid läbi funktsionaalses simulaatoris. Pärast seda, kui programm on jõudnud meid huvitava hetkeni, on võimalik kaks varianti. Moodul võib asendada taktisünkroonse ja täitmist jätkata. Täitmisrežiimi, kus kasutatakse täitmisfaili (st tavalised kompileeritud programmifailid), nimetatakse täitmise põhiseks simuleerimiseks (execution driven simulation). See on kõige levinum simuleerimise variant. Samuti on võimalik teine lähenemine — jälgede põhine simuleerimine (trace driven simulation).

Jälgede põhine simuleerimine

See koosneb kahest sammust. Funktsionaalse simulaatori või reaalse süsteemi abil kogutakse ja salvestatakse faili programmide tegevuste logi. Sellist logi nimetatakse jäljeks (trace). Sõltuvalt uuritavast, võib jälg sisaldada täidetavaid juhiseid, mälu aadresse, portide numbreid, teavet katkestuste kohta.

Järgmine samm on rada „esitus“, kus taktitark simulator loeb rada ja täidab kõik kirja pandud juhised. Lõpuks saame selle koodi saamise aja ning erinevad protsessi omadused, näiteks vahemälu tabamuse protsendi.

Oluline aspekt raja töötlemisel on deterministlikkus, st käivitades simulatsiooni eespool kirjeldatud viisil, kordame ikka ja jälle sama tegevuste järjekorda. See võimaldab muuta mudeli parameetreid (vahemälu, puhvrid ja järjekorrad) ning kasutada erinevaid sisemisi algoritme või neid kohandada, et uurida, kuidas see või teine parameeter mõjutab süsteemi jõudlust ja milline variant annab parimaid tulemusi. Kõike seda saab teostada seadme prototüübimudeli abil enne reaalse riistvara prototüübi loomist.

Selle lähenemise keerukus seisneb rakenduse eelnevas käivitamises ja raja kogumises, samuti raja faili tohutu suuruses. Plussideks on, et piisab ainult huvi pakkuva seadme või platvormi osa modelleerimisest, samas kui täitmise simulatsioon nõuab tavaliselt täisteksti mudelit.

Nii et selles artiklis oleme arutanud täisplatvormilise simuleerimise eripära, rääkinud erinevatel tasemetel rakenduste kiirusest, taktitark simuleerimisest ja rajadest. Järgmisel artiklil kirjeldan simulaatorite põhikasutuse stsenaariume, nii isiklikul eesmärgil kui ka suurte ettevõtete arendamise vaatepunktist.

Allikas: habr.com