કમ્પ્યુટર સિસ્ટમ્સના સિમ્યુલેટર: એક પરિચિત પૂર્ણ-પ્લેટફોર્મ સિમ્યુલેટર અને અજાણ્યા ઘડિયાળની દિશામાં અને નિશાન

કમ્પ્યુટર સિસ્ટમ સિમ્યુલેટર વિશેના લેખના બીજા ભાગમાં, હું કમ્પ્યુટર સિમ્યુલેટર વિશે એક સરળ પ્રારંભિક સ્વરૂપમાં વાત કરવાનું ચાલુ રાખીશ, એટલે કે પૂર્ણ-પ્લેટફોર્મ સિમ્યુલેશન વિશે, જેનો સરેરાશ વપરાશકર્તા મોટાભાગે સામનો કરે છે, તેમજ ઘડિયાળ દ્વારા. - ઘડિયાળનું મોડેલ અને નિશાનો, જે વિકાસકર્તા વર્તુળોમાં વધુ સામાન્ય છે.

В પ્રથમ ભાગ મેં સામાન્ય રીતે સિમ્યુલેટર શું છે તે વિશે તેમજ સિમ્યુલેશનના સ્તરો વિશે વાત કરી. હવે, તે જ્ઞાનના આધારે, હું થોડો ઊંડો ડૂબકી મારવાનો પ્રસ્તાવ મૂકું છું અને ફુલ-પ્લેટફોર્મ સિમ્યુલેશન, નિશાનો કેવી રીતે એકત્રિત કરવા, પછીથી તેની સાથે શું કરવું, તેમજ ઘડિયાળ-બાય-ક્લોક માઇક્રોઆર્કિટેક્ચરલ ઇમ્યુલેશન વિશે વાત કરું છું.

સંપૂર્ણ પ્લેટફોર્મ સિમ્યુલેટર, અથવા "ફિલ્ડમાં એકલા એ યોદ્ધા નથી"

જો તમે કોઈ ચોક્કસ ઉપકરણના ઑપરેશનનો અભ્યાસ કરવા માંગતા હો, ઉદાહરણ તરીકે, નેટવર્ક કાર્ડ, અથવા આ ઉપકરણ માટે ફર્મવેર અથવા ડ્રાઇવર લખો, તો આવા ઉપકરણને અલગથી સિમ્યુલેટ કરી શકાય છે. જો કે, બાકીના ઇન્ફ્રાસ્ટ્રક્ચરથી અલગતામાં તેનો ઉપયોગ કરવો ખૂબ અનુકૂળ નથી. અનુરૂપ ડ્રાઇવરને ચલાવવા માટે, તમારે સેન્ટ્રલ પ્રોસેસર, મેમરી, ડેટા બસની ઍક્સેસ વગેરેની જરૂર પડશે. વધુમાં, ડ્રાઇવરને કાર્ય કરવા માટે ઓપરેટિંગ સિસ્ટમ (OS) અને નેટવર્ક સ્ટેકની જરૂર છે. વધુમાં, એક અલગ પેકેટ જનરેટર અને પ્રતિભાવ સર્વરની જરૂર પડી શકે છે.

પૂર્ણ-પ્લેટફોર્મ સિમ્યુલેટર સંપૂર્ણ સોફ્ટવેર સ્ટેક ચલાવવા માટેનું વાતાવરણ બનાવે છે, જેમાં BIOS અને બુટલોડરથી માંડીને OS અને તેની વિવિધ સબસિસ્ટમ્સ, જેમ કે સમાન નેટવર્ક સ્ટેક, ડ્રાઇવરો અને વપરાશકર્તા-સ્તરની એપ્લિકેશન્સનો સમાવેશ થાય છે. આ કરવા માટે, તે મોટાભાગના કમ્પ્યુટર ઉપકરણોના સોફ્ટવેર મોડલ્સનો અમલ કરે છે: પ્રોસેસર અને મેમરી, ડિસ્ક, ઇનપુટ/આઉટપુટ ઉપકરણો (કીબોર્ડ, માઉસ, ડિસ્પ્લે), તેમજ સમાન નેટવર્ક કાર્ડ.

નીચે Intel તરફથી x58 ચિપસેટનો બ્લોક ડાયાગ્રામ છે. આ ચિપસેટ પર પૂર્ણ-પ્લેટફોર્મ કોમ્પ્યુટર સિમ્યુલેટરને IOH (ઇનપુટ/આઉટપુટ હબ) અને ICH (ઇનપુટ/આઉટપુટ કંટ્રોલર હબ) ની અંદરના ઉપકરણો સહિત મોટાભાગના સૂચિબદ્ધ ઉપકરણોના અમલીકરણની જરૂર છે, જે બ્લોક ડાયાગ્રામ પર વિગતવાર દર્શાવવામાં આવ્યા નથી. . જો કે, પ્રેક્ટિસ બતાવે છે તેમ, એવા ઘણા ઉપકરણો નથી કે જેનો ઉપયોગ આપણે જે સોફ્ટવેર દ્વારા કરવા જઈ રહ્યા છીએ તેના દ્વારા કરવામાં આવતો નથી. આવા ઉપકરણોના મોડલ બનાવવાની જરૂર નથી.

મોટેભાગે, ફુલ-પ્લેટફોર્મ સિમ્યુલેટર પ્રોસેસર સૂચના સ્તર પર લાગુ કરવામાં આવે છે (ISA, નીચે જુઓ). અગાઉનો લેખ). આ તમને સિમ્યુલેટર પોતે પ્રમાણમાં ઝડપથી અને સસ્તું બનાવવા માટે પરવાનગી આપે છે. ISA સ્તર પણ સારું છે કારણ કે તે વધુ કે ઓછું સ્થિર રહે છે, ઉદાહરણ તરીકે, API/ABI સ્તરથી વિપરીત, જે વધુ વખત બદલાય છે. વધુમાં, સૂચના સ્તર પર અમલીકરણ તમને કહેવાતા અનમોડીફાઈડ બાઈનરી સોફ્ટવેર ચલાવવાની મંજૂરી આપે છે, એટલે કે, કોઈપણ ફેરફારો વિના પહેલાથી કમ્પાઈલ કરેલ કોડને બરાબર ચલાવો, જેમ કે તે વાસ્તવિક હાર્ડવેર પર વપરાય છે. બીજા શબ્દોમાં કહીએ તો, તમે તમારી હાર્ડ ડ્રાઈવની નકલ (“ડમ્પ”) બનાવી શકો છો, તેને ફુલ-પ્લેટફોર્મ સિમ્યુલેટરમાં મોડેલ માટે ઈમેજ તરીકે સ્પષ્ટ કરી શકો છો અને વોઈલા! - OS અને અન્ય પ્રોગ્રામ્સ કોઈપણ વધારાની ક્રિયાઓ વિના સિમ્યુલેટરમાં લોડ થાય છે.

સિમ્યુલેટર કામગીરી

જેમ ઉપર ઉલ્લેખ કર્યો છે તેમ, સમગ્ર સિસ્ટમનું અનુકરણ કરવાની પ્રક્રિયા, એટલે કે, તેના તમામ ઉપકરણો, એક ધીમી ઉપક્રમ છે. જો તમે આ બધું ખૂબ વિગતવાર સ્તરે પણ અમલમાં મૂકશો, ઉદાહરણ તરીકે, માઇક્રોઆર્કિટેક્ચરલ અથવા લોજિકલ, તો અમલ અત્યંત ધીમો થઈ જશે. પરંતુ સૂચના સ્તર એ યોગ્ય પસંદગી છે અને OS અને પ્રોગ્રામ્સને વપરાશકર્તાને તેમની સાથે આરામથી ક્રિયાપ્રતિક્રિયા કરવા માટે પૂરતી ઝડપે એક્ઝિક્યુટ કરવાની મંજૂરી આપે છે.

અહીં સિમ્યુલેટર કામગીરીના વિષય પર સ્પર્શ કરવો યોગ્ય રહેશે. તે સામાન્ય રીતે IPS (પ્રતિ સેકન્ડની સૂચનાઓ) માં માપવામાં આવે છે, વધુ ચોક્કસ રીતે MIPS (લાખો IPS) માં, એટલે કે, એક સેકન્ડમાં સિમ્યુલેટર દ્વારા એક્ઝિક્યુટ કરાયેલ પ્રોસેસરની સૂચનાઓની સંખ્યા. તે જ સમયે, સિમ્યુલેશનની ઝડપ સિસ્ટમના પ્રદર્શન પર પણ આધાર રાખે છે કે જેના પર સિમ્યુલેશન પોતે ચાલે છે. તેથી, મૂળ સિસ્ટમની તુલનામાં સિમ્યુલેટરના "મંદી" વિશે વાત કરવી વધુ યોગ્ય હોઈ શકે છે.

બજારમાં સૌથી સામાન્ય ફુલ-પ્લેટફોર્મ સિમ્યુલેટર, જેમ કે QEMU, VirtualBox અથવા VmWare વર્કસ્ટેશન, સારી કામગીરી ધરાવે છે. સિમ્યુલેટરમાં કામ ચાલી રહ્યું છે તે યુઝરને ધ્યાને પણ નહીં આવે. પ્રોસેસર્સ, બાઈનરી ટ્રાન્સલેશન એલ્ગોરિધમ્સ અને અન્ય રસપ્રદ વસ્તુઓમાં અમલમાં મૂકાયેલ વિશેષ વર્ચ્યુઅલાઈઝેશન ક્ષમતાઓને કારણે આવું થાય છે. આ બધા એક અલગ લેખ માટેનો વિષય છે, પરંતુ ટૂંકમાં, વર્ચ્યુઅલાઈઝેશન એ આધુનિક પ્રોસેસર્સની હાર્ડવેર સુવિધા છે જે સિમ્યુલેટરને સૂચનાઓનું અનુકરણ કરવાની મંજૂરી આપતી નથી, પરંતુ તેને એક્ઝેક્યુશન માટે સીધા વાસ્તવિક પ્રોસેસર પર મોકલવાની મંજૂરી આપે છે, જો, અલબત્ત, આર્કિટેક્ચર્સ સિમ્યુલેટર અને પ્રોસેસર સમાન છે. દ્વિસંગી અનુવાદ એ ગેસ્ટ મશીન કોડનું હોસ્ટ કોડમાં અનુવાદ અને વાસ્તવિક પ્રોસેસર પર અનુગામી અમલીકરણ છે. પરિણામે, સિમ્યુલેશન માત્ર થોડું ધીમું છે, 5-10 વખત, અને ઘણી વખત વાસ્તવિક સિસ્ટમ જેટલી જ ઝડપે પણ ચાલે છે. જો કે આ ઘણા પરિબળોથી પ્રભાવિત છે. ઉદાહરણ તરીકે, જો આપણે ઘણા ડઝન પ્રોસેસરો સાથે સિસ્ટમનું અનુકરણ કરવા માંગીએ છીએ, તો ઝડપ તરત જ આ ઘણી ડઝન વખત ઘટશે. બીજી બાજુ, નવીનતમ સંસ્કરણોમાં સિમિક્સ જેવા સિમ્યુલેટર મલ્ટિપ્રોસેસર હોસ્ટ હાર્ડવેરને સપોર્ટ કરે છે અને વાસ્તવિક પ્રોસેસરના કોરો પર સિમ્યુલેટેડ કોરોને અસરકારક રીતે સમાંતર બનાવે છે.

જો આપણે માઇક્રોઆર્કિટેક્ચરલ સિમ્યુલેશનની ઝડપ વિશે વાત કરીએ, તો તે સામાન્ય રીતે સિમ્યુલેશન વિના, નિયમિત કમ્પ્યુટર પર એક્ઝેક્યુશન કરતાં લગભગ 1000-10000 ગણી ધીમી તીવ્રતાના ઘણા ઓર્ડર છે. અને તાર્કિક તત્વોના સ્તરે અમલીકરણો તીવ્રતાના ઘણા ઓર્ડર દ્વારા ધીમું છે. તેથી, આ સ્તરે FPGA નો ઉપયોગ ઇમ્યુલેટર તરીકે થાય છે, જે પ્રભાવમાં નોંધપાત્ર વધારો કરી શકે છે.

નીચેનો ગ્રાફ મોડેલની વિગત પર સિમ્યુલેશન ઝડપની અંદાજિત અવલંબન દર્શાવે છે.

બીટ-બાય-બીટ સિમ્યુલેશન

તેમની ઓછી એક્ઝેક્યુશન સ્પીડ હોવા છતાં, માઇક્રોઆર્કિટેક્ચરલ સિમ્યુલેટર એકદમ સામાન્ય છે. દરેક સૂચનાના અમલના સમયનું ચોક્કસ અનુકરણ કરવા માટે પ્રોસેસરના આંતરિક બ્લોક્સનું સિમ્યુલેશન જરૂરી છે. અહીં ગેરસમજ ઊભી થઈ શકે છે - છેવટે, એવું લાગે છે કે શા માટે દરેક સૂચના માટે એક્ઝેક્યુશન સમયનો પ્રોગ્રામ ન કરવો. પરંતુ આવા સિમ્યુલેટર ખૂબ જ અચોક્કસ હશે, કારણ કે સમાન સૂચનાનો અમલ કરવાનો સમય કૉલથી કૉલ અલગ હોઈ શકે છે.

સૌથી સરળ ઉદાહરણ મેમરી એક્સેસ સૂચના છે. જો વિનંતી કરેલ મેમરી સ્થાન કેશમાં ઉપલબ્ધ છે, તો અમલનો સમય ન્યૂનતમ હશે. જો આ માહિતી કેશમાં નથી ("કેશ મિસ"), તો આ સૂચનાના અમલના સમયને મોટા પ્રમાણમાં વધારશે. આમ, ચોક્કસ સિમ્યુલેશન માટે કેશ મોડલ જરૂરી છે. જો કે, આ બાબત કેશ મોડલ સુધી મર્યાદિત નથી. જ્યારે કેશમાં ન હોય ત્યારે પ્રોસેસર મેમરીમાંથી ડેટા મેળવવાની રાહ જોશે નહીં. તેના બદલે, તે આગળની સૂચનાઓને અમલમાં મૂકવાનું શરૂ કરશે, તે પસંદ કરશે જે મેમરીમાંથી વાંચવાના પરિણામ પર આધારિત નથી. પ્રોસેસરનો નિષ્ક્રિય સમય ઓછો કરવા માટે આ કહેવાતા "ઑફ ઑર્ડર" એક્ઝેક્યુશન (OOO, ઑર્ડર એક્ઝેક્યુશનની બહાર) છે. અનુરૂપ પ્રોસેસર બ્લોક્સનું મોડેલિંગ સૂચનાઓના અમલના સમયની ગણતરી કરતી વખતે આ બધું ધ્યાનમાં લેવામાં મદદ કરશે. આ સૂચનાઓ પૈકી, જ્યારે મેમરીમાંથી વાંચવાના પરિણામની રાહ જોવામાં આવે ત્યારે એક્ઝિક્યુટ કરવામાં આવે છે, શરતી જમ્પ ઑપરેશન થઈ શકે છે. જો આ ક્ષણે સ્થિતિનું પરિણામ અજ્ઞાત છે, તો પછી ફરીથી પ્રોસેસર એક્ઝેક્યુશન બંધ કરતું નથી, પરંતુ "અનુમાન" બનાવે છે, યોગ્ય શાખા કરે છે અને સંક્રમણના બિંદુથી સૂચનાઓને સક્રિયપણે ચલાવવાનું ચાલુ રાખે છે. આવા બ્લોક, જેને બ્રાન્ચ પ્રિડિક્ટર કહેવામાં આવે છે, તે માઇક્રોઆર્કિટેક્ચરલ સિમ્યુલેટરમાં પણ લાગુ કરવું આવશ્યક છે.

નીચેનું ચિત્ર પ્રોસેસરના મુખ્ય બ્લોક્સ બતાવે છે, તે જાણવું જરૂરી નથી, તે માત્ર માઇક્રોઆર્કિટેક્ચરલ અમલીકરણની જટિલતા બતાવવા માટે બતાવવામાં આવ્યું છે.

વાસ્તવિક પ્રોસેસરમાં આ તમામ બ્લોક્સની કામગીરી ખાસ ઘડિયાળના સંકેતો દ્વારા સિંક્રનાઇઝ થાય છે, અને તે જ મોડેલમાં થાય છે. આવા માઇક્રોઆર્કિટેક્ચરલ સિમ્યુલેટરને ચક્ર સચોટ કહેવામાં આવે છે. તેનો મુખ્ય ઉદ્દેશ્ય વિકસિત થઈ રહેલા પ્રોસેસરના પ્રદર્શનની ચોક્કસ આગાહી કરવાનો છે અને/અથવા ચોક્કસ પ્રોગ્રામના એક્ઝેક્યુશન સમયની ગણતરી કરવાનો છે, ઉદાહરણ તરીકે, બેન્ચમાર્ક. જો મૂલ્યો આવશ્યકતા કરતા ઓછી હોય, તો પછી એલ્ગોરિધમ્સ અને પ્રોસેસર બ્લોક્સને સંશોધિત કરવા અથવા પ્રોગ્રામને ઑપ્ટિમાઇઝ કરવા માટે જરૂરી રહેશે.

ઉપર બતાવ્યા પ્રમાણે, ઘડિયાળ-બાય-ક્લોક સિમ્યુલેશન ખૂબ જ ધીમું છે, તેથી પ્રોગ્રામના ઑપરેશનની ચોક્કસ ક્ષણોનો અભ્યાસ કરતી વખતે જ તેનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે, જ્યાં પ્રોગ્રામના અમલીકરણની વાસ્તવિક ઝડપ શોધવા અને ઉપકરણના ભાવિ પ્રદર્શનનું મૂલ્યાંકન કરવું જરૂરી હોય છે. પ્રોટોટાઇપનું અનુકરણ કરવામાં આવી રહ્યું છે.

આ કિસ્સામાં, કાર્યાત્મક સિમ્યુલેટરનો ઉપયોગ પ્રોગ્રામના બાકીના ચાલતા સમયનું અનુકરણ કરવા માટે થાય છે. ઉપયોગનું આ સંયોજન વાસ્તવિકતામાં કેવી રીતે થાય છે? પ્રથમ, કાર્યાત્મક સિમ્યુલેટર લોંચ કરવામાં આવે છે, જેના પર OS અને અભ્યાસ હેઠળ પ્રોગ્રામ ચલાવવા માટે જરૂરી બધું લોડ થાય છે. છેવટે, અમને OS માં જ રસ નથી, ન તો પ્રોગ્રામ લોંચ કરવાના પ્રારંભિક તબક્કામાં, તેનું રૂપરેખાંકન, વગેરે. જો કે, અમે આ ભાગોને છોડી શકતા નથી અને તરત જ મધ્યથી પ્રોગ્રામને એક્ઝિક્યુટ કરવા માટે આગળ વધી શકીએ છીએ. તેથી, આ તમામ પ્રારંભિક પગલાં કાર્યાત્મક સિમ્યુલેટર પર ચલાવવામાં આવે છે. પ્રોગ્રામને અમારા રસના ક્ષણ સુધી અમલમાં મૂક્યા પછી, બે વિકલ્પો શક્ય છે. તમે ઘડિયાળ-બાય-સાયકલ મોડેલ સાથે મોડેલને બદલી શકો છો અને અમલ ચાલુ રાખી શકો છો. સિમ્યુલેશન મોડ કે જે એક્ઝેક્યુટેબલ કોડનો ઉપયોગ કરે છે (એટલે ​​​​કે, રેગ્યુલર કમ્પાઇલ કરેલી પ્રોગ્રામ ફાઇલો) તેને એક્ઝેક્યુશન સંચાલિત સિમ્યુલેશન કહેવામાં આવે છે. આ સૌથી સામાન્ય સિમ્યુલેશન વિકલ્પ છે. અન્ય અભિગમ પણ શક્ય છે - ટ્રેસ સંચાલિત સિમ્યુલેશન.

ટ્રેસ-આધારિત સિમ્યુલેશન

તે બે પગલાઓનો સમાવેશ કરે છે. કાર્યાત્મક સિમ્યુલેટરનો ઉપયોગ કરીને અથવા વાસ્તવિક સિસ્ટમ પર, પ્રોગ્રામ ક્રિયાઓનો લોગ એકત્રિત કરવામાં આવે છે અને ફાઇલમાં લખવામાં આવે છે. આ લોગને ટ્રેસ કહેવામાં આવે છે. શું તપાસવામાં આવી રહ્યું છે તેના આધારે, ટ્રેસમાં એક્ઝિક્યુટેબલ સૂચનાઓ, મેમરી એડ્રેસ, પોર્ટ નંબર્સ અને ઇન્ટરપ્ટ માહિતી શામેલ હોઈ શકે છે.

આગળનું પગલું એ ટ્રેસને "પ્લે" કરવાનું છે, જ્યારે ઘડિયાળ-બાય-ક્લોક સિમ્યુલેટર ટ્રેસ વાંચે છે અને તેમાં લખેલી બધી સૂચનાઓને એક્ઝિક્યુટ કરે છે. અંતે, અમને પ્રોગ્રામના આ ભાગનો એક્ઝેક્યુશન સમય મળે છે, તેમજ આ પ્રક્રિયાની વિવિધ લાક્ષણિકતાઓ, ઉદાહરણ તરીકે, કેશમાં હિટની ટકાવારી.

નિશાનો સાથે કામ કરવાની એક મહત્વપૂર્ણ વિશેષતા એ નિર્ધારણવાદ છે, એટલે કે, ઉપર વર્ણવેલ રીતે સિમ્યુલેશન ચલાવીને, આપણે વારંવાર ક્રિયાઓના સમાન ક્રમનું પુનઃઉત્પાદન કરીએ છીએ. આનાથી, મોડલ પેરામીટર્સ (કેશ, બફર અને કતારના કદ) બદલીને અને વિવિધ આંતરિક અલ્ગોરિધમ્સનો ઉપયોગ કરીને અથવા તેમને ટ્યુન કરીને, ચોક્કસ પરિમાણ સિસ્ટમની કામગીરીને કેવી રીતે અસર કરે છે અને કયો વિકલ્પ શ્રેષ્ઠ પરિણામો આપે છે તેનો અભ્યાસ કરવાનું શક્ય બનાવે છે. વાસ્તવિક હાર્ડવેર પ્રોટોટાઇપ બનાવતા પહેલા આ બધું પ્રોટોટાઇપ ઉપકરણ મોડેલ સાથે કરી શકાય છે.

આ અભિગમની જટિલતા સૌપ્રથમ એપ્લિકેશન ચલાવવાની અને ટ્રેસ એકત્રિત કરવાની જરૂરિયાત તેમજ ટ્રેસ ફાઇલના વિશાળ કદમાં રહેલી છે. ફાયદાઓમાં એ હકીકતનો સમાવેશ થાય છે કે તે ફક્ત ઉપકરણના ભાગ અથવા રસના પ્લેટફોર્મનું અનુકરણ કરવા માટે પૂરતું છે, જ્યારે અમલ દ્વારા સિમ્યુલેશન માટે સામાન્ય રીતે સંપૂર્ણ મોડેલની જરૂર હોય છે.

તેથી, આ લેખમાં આપણે ફુલ-પ્લેટફોર્મ સિમ્યુલેશનની વિશેષતાઓ જોઈ, વિવિધ સ્તરો પર અમલીકરણની ઝડપ, ઘડિયાળ-બાય-સાયકલ સિમ્યુલેશન અને ટ્રેસ વિશે વાત કરી. આગલા લેખમાં હું વ્યક્તિગત હેતુઓ માટે અને મોટી કંપનીઓમાં વિકાસના દૃષ્ટિકોણથી, સિમ્યુલેટરનો ઉપયોગ કરવા માટેના મુખ્ય દૃશ્યોનું વર્ણન કરીશ.

સોર્સ: www.habr.com