{"id":87136,"date":"2020-07-04T01:42:40","date_gmt":"2020-07-03T23:42:40","guid":{"rendered":"https:\/\/prohoster.info\/blog\/administrirovanie\/simulyatory-kompyuternyh-sistem-vsem-znakomyj-polnoplatformennyj-simulyator-i-nikomu-neizvestnye-potaktovyj-i-trassy"},"modified":"2020-07-04T01:42:40","modified_gmt":"2020-07-03T23:42:40","slug":"simulyatory-kompyuternyh-sistem-vsem-znakomyj-polnoplatformennyj-simulyator-i-nikomu-neizvestnye-potaktovyj-i-trassy","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/prohoster.info\/fr\/blog\/administrirovanie\/simulyatory-kompyuternyh-sistem-vsem-znakomyj-polnoplatformennyj-simulyator-i-nikomu-neizvestnye-potaktovyj-i-trassy","title":{"rendered":"Simulateurs de syst\u00e8mes informatiques : le simulateur multiplateforme bien connu et les peu connus simulateurs de protocole et de circuits","gt_translate_keys":[{"key":"rendered","format":"text"}]},"content":{"rendered":"

Dans la deuxi\u00e8me partie de l'article sur les simulateurs de syst\u00e8mes informatiques, je vais continuer \u00e0 parler de mani\u00e8re simple et informative des simulateurs informatiques, en particulier de la simulation de plateforme compl\u00e8te, \u00e0 laquelle l'utilisateur ordinaire est le plus souvent confront\u00e9, ainsi que du mod\u00e8le de cycle et des pistes qui sont plus r\u00e9pandues parmi les d\u00e9veloppeurs. <\/p>\n

\"Simulateurs
\n<\/a><\/noindex>
\nDans de la premi\u00e8re partie<\/a><\/noindex> J'ai expliqu\u00e9 ce que sont les simulateurs en g\u00e9n\u00e9ral, ainsi que les niveaux de mod\u00e9lisation. Maintenant, sur la base de ces connaissances, je propose d'approfondir un peu plus et de parler de la simulation de plateforme compl\u00e8te, de la fa\u00e7on de construire des pistes, de ce qu'il faut en faire ensuite, ainsi que de l'\u00e9mulation microarchitecturale en cycle. <\/p>\n

Un simulateur de plateforme compl\u00e8te (full platform simulator), ou \u201cUn homme dans le champ \u2014 n'est pas un soldat\u201d <\/h3>\n

\nS'il est n\u00e9cessaire d'\u00e9tudier le fonctionnement d'un appareil sp\u00e9cifique, par exemple, une carte r\u00e9seau, ou d'\u00e9crire un firmware ou un pilote pour cet appareil, alors cet appareil peut \u00eatre mod\u00e9lis\u00e9 s\u00e9par\u00e9ment. Cependant, l'utiliser en dehors de l'infrastructure restante n'est pas tr\u00e8s pratique. Pour d\u00e9marrer le pilote correspondant, un processeur central, de la m\u00e9moire, un acc\u00e8s au bus de transmission de donn\u00e9es, etc., seront n\u00e9cessaires. De plus, pour le fonctionnement du pilote, un syst\u00e8me d'exploitation (OS) et une pile r\u00e9seau sont requis. En compl\u00e9ment, un g\u00e9n\u00e9rateur de paquets s\u00e9par\u00e9 et un serveur de r\u00e9ception de r\u00e9ponses peuvent \u00eatre n\u00e9cessaires. <\/p>\n

Le simulateur de plateforme compl\u00e8te cr\u00e9e un environnement pour ex\u00e9cuter l'ensemble de la pile logicielle, qui comprend tout, depuis le BIOS et le chargeur jusqu'\u00e0 l'OS elle-m\u00eame et divers sous-syst\u00e8mes, tels que la pile r\u00e9seau, les pilotes, et les applications de niveau utilisateur. Pour cela, il impl\u00e9mente des mod\u00e8les logiciels de la plupart des dispositifs informatiques : processeur et m\u00e9moire, disque, dispositifs d'entr\u00e9e\/sortie (clavier, souris, \u00e9cran), ainsi que cette fameuse carte r\u00e9seau. <\/p>\n

Ci-dessous se trouve un diagramme bloc du chipset x58 de la soci\u00e9t\u00e9 Intel. Dans un simulateur informatique plateforme compl\u00e8te bas\u00e9 sur ce chipset, il est n\u00e9cessaire de mettre en \u0153uvre la plupart des dispositifs mentionn\u00e9s, y compris ceux qui se trouvent \u00e0 l'int\u00e9rieur de l'IOH (Input\/Output Hub) et de l'ICH (Input\/Output Controller Hub), qui ne sont pas dessin\u00e9s en d\u00e9tail sur le diagramme bloc. Cependant, comme le montre la pratique, il existe de nombreux dispositifs qui ne sont pas utilis\u00e9s par le logiciel que nous pr\u00e9voyons d'ex\u00e9cuter. Les mod\u00e8les de ces dispositifs peuvent ne pas \u00eatre cr\u00e9\u00e9s. <\/p>\n

\"Simulateurs
\n
\nLe plus souvent, les simulateurs plateforme compl\u00e8te sont r\u00e9alis\u00e9s au niveau des instructions du processeur (ISA, voir l'article pr\u00e9c\u00e9dent<\/a><\/noindex>). Cela permet de cr\u00e9er relativement rapidement et \u00e0 moindre co\u00fbt le simulateur lui-m\u00eame. Le niveau ISA est \u00e9galement bon en ce qu'il reste plus ou moins constant, contrairement, par exemple, au niveau API\/ABI, qui change plus souvent. De plus, la mise en \u0153uvre au niveau des instructions permet d'ex\u00e9cuter ce que l'on appelle des binaires non modifi\u00e9s, c'est-\u00e0-dire d'ex\u00e9cuter du code d\u00e9j\u00e0 compil\u00e9 sans aucun changement, exactement de la mani\u00e8re dont il est utilis\u00e9 sur un v\u00e9ritable mat\u00e9riel. En d'autres termes, on peut faire une copie (\u00ab dump \u00bb) du disque dur, la sp\u00e9cifier comme image pour le mod\u00e8le dans le simulateur plateforme compl\u00e8te et \u2013 voil\u00e0 ! \u2013 le syst\u00e8me d'exploitation et les autres programmes se chargent dans le simulateur sans aucune action suppl\u00e9mentaire. <\/p>\n

Performance des simulateurs <\/h3>\n

\"Simulateurs
\n
\nComme mentionn\u00e9 pr\u00e9c\u00e9demment, le processus de simulation de l'ensemble du syst\u00e8me, c'est-\u00e0-dire de tous ses dispositifs, est un \u00e9v\u00e9nement plut\u00f4t lent. Si cela est r\u00e9alis\u00e9 \u00e0 un niveau tr\u00e8s d\u00e9taill\u00e9, par exemple, au niveau micro-architectural ou logique, l'ex\u00e9cution deviendra extr\u00eamement lente. Cependant, le niveau d'instructions est un choix appropri\u00e9 et permet au syst\u00e8me d'exploitation et aux programmes de s'ex\u00e9cuter \u00e0 des vitesses suffisantes pour un usage confortable. <\/p>\n

Il est ici pertinent d'aborder la question de la performance des simulateurs. Elle est g\u00e9n\u00e9ralement mesur\u00e9e en IPS (instructions par seconde), plus pr\u00e9cis\u00e9ment en MIPS (millions d'IPS), c'est-\u00e0-dire le nombre d'instructions processeur ex\u00e9cut\u00e9es par le simulateur en une seconde. En m\u00eame temps, la vitesse de simulation d\u00e9pend \u00e9galement de la performance du syst\u00e8me sur lequel la simulation elle-m\u00eame fonctionne. Par cons\u00e9quent, il peut \u00eatre plus juste de parler de \u00ab ralentissement \u00bb (slowdown) du simulateur par rapport au syst\u00e8me d'origine. <\/p>\n

Les simulateurs full-platform les plus r\u00e9pandus sur le march\u00e9, tels que QEMU, VirtualBox ou VmWare Workstation, offrent de bonnes performances. L'utilisateur peut m\u00eame ne pas remarquer que le travail se d\u00e9roule dans un simulateur. Cela s'explique par la fonctionnalit\u00e9 de virtualisation int\u00e9gr\u00e9e dans les processeurs, les algorithmes de translation binaire et d'autres \u00e9l\u00e9ments int\u00e9ressants. C'est un sujet pour un article \u00e0 part enti\u00e8re, mais pour faire court, la virtualisation est une capacit\u00e9 mat\u00e9rielle des processeurs modernes qui permet aux simulateurs de ne pas simuler des instructions, mais de les soumettre directement au processeur r\u00e9el, \u00e0 condition que les architectures du simulateur et du processeur soient similaires. La translation binaire consiste \u00e0 convertir le code machine de l'invit\u00e9 en code h\u00f4te et \u00e0 l'ex\u00e9cuter sur le processeur r\u00e9el. En cons\u00e9quence, la simulation est seulement l\u00e9g\u00e8rement plus lente, de 5 \u00e0 10 fois, et fonctionne souvent m\u00eame \u00e0 la m\u00eame vitesse que le syst\u00e8me r\u00e9el. Bien s\u00fbr, cela d\u00e9pend de nombreux facteurs. Par exemple, si nous voulons simuler un syst\u00e8me avec plusieurs dizaines de processeurs, la vitesse va alors chuter de plusieurs dizaines de fois. D'un autre c\u00f4t\u00e9, des simulateurs comme Simics dans leurs derni\u00e8res versions prennent en charge l'hardware h\u00f4te multiprocesseur et parall\u00e9lisent efficacement les c\u0153urs simul\u00e9s sur les c\u0153urs du processeur r\u00e9el. <\/p>\n

En ce qui concerne la vitesse de simulation microarchitecturale, elle est g\u00e9n\u00e9ralement plusieurs ordres de grandeur, environ 1000 \u00e0 10000 fois, plus lente que l'ex\u00e9cution sur un ordinateur normal, sans simulation. Les impl\u00e9mentations au niveau des \u00e9l\u00e9ments logiques sont encore plus lentes de plusieurs ordres. C'est pourquoi des FPGA sont utilis\u00e9s comme \u00e9mulateurs \u00e0 ce niveau, ce qui permet d'augmenter consid\u00e9rablement les performances. <\/p>\n

Le graphique ci-dessous montre la d\u00e9pendance approximative de la vitesse de simulation en fonction de la granularit\u00e9 du mod\u00e8le. <\/p>\n

\"Simulateurs
\n<\/p>\n

Simulation par cycles <\/h3>\n

\nBien que la vitesse d'ex\u00e9cution soit relativement faible, les simulateurs microarchitecturaux sont assez r\u00e9pandus. La mod\u00e9lisation des blocs internes du processeur est n\u00e9cessaire pour simuler avec pr\u00e9cision le temps d'ex\u00e9cution de chaque instruction. Une confusion peut surgir ici : pourquoi ne pas simplement programmer le temps d'ex\u00e9cution pour chaque instruction ? Mais un tel simulateur fonctionnerait de mani\u00e8re tr\u00e8s inexacte, car le temps d'ex\u00e9cution de la m\u00eame instruction peut varier d'un appel \u00e0 l'autre. <\/p>\n

Un exemple simple est l'instruction d'acc\u00e8s \u00e0 la m\u00e9moire. Si la cellule de m\u00e9moire demand\u00e9e est disponible dans le cache, le temps d'ex\u00e9cution sera minimal. Si cette information n'est pas dans le cache (un \u00ab cache miss \u00bb), cela augmentera consid\u00e9rablement le temps d'ex\u00e9cution de l'instruction. Ainsi, pour une simulation pr\u00e9cise, un mod\u00e8le de cache est n\u00e9cessaire. Cependant, cela ne se limite pas \u00e0 un mod\u00e8le de cache. Le processeur n'attendra pas simplement la r\u00e9ception des donn\u00e9es de la m\u00e9moire lorsque celles-ci sont absentes du cache. Au lieu de cela, il commencera \u00e0 ex\u00e9cuter les instructions suivantes, en choisissant celles qui ne d\u00e9pendent pas du r\u00e9sultat de la lecture en m\u00e9moire. Il s'agit de l'ex\u00e9cution \"hors ordre\" (OOO, out of order execution), n\u00e9cessaire pour minimiser le temps d'inactivit\u00e9 du processeur. Prendre tout cela en compte lors du calcul du temps d'ex\u00e9cution des instructions aidera \u00e0 mod\u00e9liser les blocs appropri\u00e9s du processeur. Parmi ces instructions ex\u00e9cut\u00e9es en attendant le r\u00e9sultat de la lecture en m\u00e9moire, il peut y avoir une op\u00e9ration de saut conditionnel. Si le r\u00e9sultat de la condition est inconnu \u00e0 ce moment-l\u00e0, le processeur ne stoppe pas l'ex\u00e9cution, mais fait une \"hypoth\u00e8se\", ex\u00e9cute le saut correspondant et continue \u00e0 ex\u00e9cuter pr\u00e9ventivement les instructions depuis le point de saut. Ce bloc, appel\u00e9 pr\u00e9dicteur de branche, doit \u00e9galement \u00eatre impl\u00e9ment\u00e9 dans le simulateur microarchitectural. <\/p>\n

L'image ci-dessous montre les principaux blocs du processeur ; il n'est pas n\u00e9cessaire de la conna\u00eetre, elle est donn\u00e9e simplement pour illustrer la complexit\u00e9 de la r\u00e9alisation microarchitecturale. <\/p>\n

\"Simulateurs
\n
\nLe fonctionnement de tous ces blocs dans un processeur r\u00e9el est synchronis\u00e9 par des signaux d'horloge sp\u00e9ciaux, un processus similaire se produit \u00e9galement dans le mod\u00e8le. On appelle ce simulateur d'architecture micro-architecturale un simulateur bas\u00e9 sur les cycles (cycle accurate). Son principal but est de pr\u00e9voir avec pr\u00e9cision les performances du processeur en cours de d\u00e9veloppement et\/ou de calculer le temps d'ex\u00e9cution d'un certain programme, par exemple, d'un benchmark. Si les valeurs sont inf\u00e9rieures aux exigences, il sera n\u00e9cessaire d'am\u00e9liorer les algorithmes et les blocs du processeur ou d'optimiser le programme. <\/p>\n

Comme indiqu\u00e9 ci-dessus, la simulation bas\u00e9e sur les cycles est tr\u00e8s lente, c'est pourquoi elle n'est utilis\u00e9e que pour \u00e9tudier certains aspects du fonctionnement du programme, o\u00f9 il est essentiel de conna\u00eetre la vitesse r\u00e9elle d'ex\u00e9cution des programmes et d'\u00e9valuer les performances futures de l'appareil, dont le prototype est mod\u00e9lis\u00e9. <\/p>\n

Pour simuler le reste du temps de fonctionnement du programme, un simulateur fonctionnel est utilis\u00e9. Comment cette utilisation combin\u00e9e se produit-elle r\u00e9ellement ? Tout d'abord, un simulateur fonctionnel est lanc\u00e9, sur lequel le syst\u00e8me d'exploitation et tout le n\u00e9cessaire pour faire fonctionner le programme \u00e9tudi\u00e9 sont charg\u00e9s. En effet, nous ne sommes int\u00e9ress\u00e9s ni par le syst\u00e8me d'exploitation lui-m\u00eame, ni par les premi\u00e8res \u00e9tapes de lancement du programme, sa configuration, etc. Toutefois, nous ne pouvons pas non plus ignorer ces parties et passer directement \u00e0 l'ex\u00e9cution du programme en milieu de processus. Ainsi, toutes ces \u00e9tapes pr\u00e9liminaires sont ex\u00e9cut\u00e9es sur le simulateur fonctionnel. Une fois que le programme a \u00e9t\u00e9 ex\u00e9cut\u00e9 jusqu'au moment qui nous int\u00e9resse, deux options sont possibles. On peut remplacer le mod\u00e8le par un simulateur bas\u00e9 sur les cycles et continuer l'ex\u00e9cution. Le mode de simulation utilisant le code ex\u00e9cutable (c'est-\u00e0-dire des fichiers de programme compil\u00e9s ordinaires) est appel\u00e9 simulation bas\u00e9e sur l'ex\u00e9cution (execution driven simulation). C'est la variante de simulation la plus courante. Il est \u00e9galement possible d'envisager une autre approche \u2013 la simulation bas\u00e9e sur des traces (trace driven simulation). <\/p>\n

Simulation bas\u00e9e sur des traces <\/h3>\n

\nCela se compose de deux \u00e9tapes. \u00c0 l'aide d'un simulateur fonctionnel ou d'un syst\u00e8me r\u00e9el, un log des actions du programme est collect\u00e9 et enregistr\u00e9 dans un fichier. Ce log est appel\u00e9 une trace (trace). Selon ce qui est \u00e9tudi\u00e9, la trace peut inclure des instructions ex\u00e9cutables, des adresses m\u00e9moire, des num\u00e9ros de ports, des informations sur les interruptions. <\/p>\n

L'\u00e9tape suivante consiste \u00e0 \u00ab ex\u00e9cuter \u00bb la trace, lorsque le simulateur par \u00e9tapes lit la trace et ex\u00e9cute toutes les instructions qui y sont enregistr\u00e9es. \u00c0 la fin, nous obtenons le temps d'ex\u00e9cution de ce morceau de programme, ainsi que diverses caract\u00e9ristiques de ce processus, comme le pourcentage de hits dans le cache. <\/p>\n

Une caract\u00e9ristique importante du travail avec les traces est la d\u00e9terminisme, c'est-\u00e0-dire qu'en lan\u00e7ant la simulation de la mani\u00e8re d\u00e9crite ci-dessus, nous reproduisons la m\u00eame s\u00e9quence d'actions encore et encore. Cela permet, en modifiant les param\u00e8tres du mod\u00e8le (tailles de cache, tampons et files d'attente) et en utilisant diff\u00e9rents algorithmes internes ou en les ajustant, d'explorer comment tel ou tel param\u00e8tre affecte la performance du syst\u00e8me et quelle variante donne les meilleurs r\u00e9sultats. Tout cela peut \u00eatre fait avec le mod\u00e8le prototype de l'appareil avant de cr\u00e9er un v\u00e9ritable prototype mat\u00e9riel. <\/p>\n

La complexit\u00e9 de cette approche r\u00e9side dans la n\u00e9cessit\u00e9 d'ex\u00e9cuter pr\u00e9alablement l'application et de collecter la trace, ainsi que dans l'\u00e9norme taille du fichier de trace. Parmi les avantages, on peut noter qu'il suffit de mod\u00e9liser seulement la partie de l'appareil ou de la plateforme qui nous int\u00e9resse, tandis que la simulation d'ex\u00e9cution n\u00e9cessite, en r\u00e8gle g\u00e9n\u00e9rale, un mod\u00e8le complet. <\/p>\n

Ainsi, dans cet article, nous avons examin\u00e9 les sp\u00e9cificit\u00e9s de la simulation \u00e0 plateforme compl\u00e8te, discut\u00e9 de la vitesse d'impl\u00e9mentation \u00e0 diff\u00e9rents niveaux, de la simulation par \u00e9tapes et des traces. Dans le prochain article, je d\u00e9crirai les principaux sc\u00e9narios d'utilisation des simulateurs, tant \u00e0 des fins personnelles qu'en termes de d\u00e9veloppement dans de grandes entreprises.
\n
Source : habr.com<\/a> <\/p>","protected":false,"gt_translate_keys":[{"key":"rendered","format":"html"}]},"excerpt":{"rendered":"

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