संगणक प्रणालीचे सिम्युलेटर: एक परिचित पूर्ण-प्लॅटफॉर्म सिम्युलेटर आणि अज्ञात घड्याळाच्या दिशेने आणि ट्रेस

संगणक प्रणाली सिम्युलेटरबद्दलच्या लेखाच्या दुसर्‍या भागात, मी संगणक सिम्युलेटरबद्दल एक साध्या प्रास्ताविक स्वरूपात बोलणे सुरू ठेवेन, म्हणजे फुल-प्लॅटफॉर्म सिम्युलेशनबद्दल, जे सरासरी वापरकर्त्यास बहुतेक वेळा भेटतात, तसेच घड्याळ-बाय बद्दल. -घड्याळ मॉडेल आणि ट्रेस, जे विकसक मंडळांमध्ये अधिक सामान्य आहेत.

В पहिला भाग मी सामान्यतः सिम्युलेटर काय आहेत याबद्दल तसेच सिम्युलेशनच्या स्तरांबद्दल बोललो. आता, त्या ज्ञानाच्या आधारे, मी थोडे खोल जाण्याचा आणि फुल-प्लॅटफॉर्म सिम्युलेशन, ट्रेस कसे गोळा करायचे, नंतर त्यांचे काय करायचे, तसेच घड्याळ-बाय-क्लॉक मायक्रोआर्किटेक्चरल इम्युलेशनबद्दल बोलण्याचा प्रस्ताव देतो.

पूर्ण प्लॅटफॉर्म सिम्युलेटर, किंवा "फील्डमध्ये एकटा योद्धा नाही"

जर तुम्हाला एका विशिष्ट डिव्हाइसच्या ऑपरेशनचा अभ्यास करायचा असेल, उदाहरणार्थ, नेटवर्क कार्ड, किंवा फर्मवेअर किंवा या डिव्हाइससाठी ड्रायव्हर लिहा, तर अशा डिव्हाइसचे स्वतंत्रपणे नक्कल केले जाऊ शकते. तथापि, उर्वरित पायाभूत सुविधांपासून वेगळे करून ते वापरणे फारसे सोयीचे नाही. संबंधित ड्रायव्हर चालवण्यासाठी, तुम्हाला सेंट्रल प्रोसेसर, मेमरी, डेटा बसमध्ये प्रवेश इत्यादीची आवश्यकता असेल. याव्यतिरिक्त, ड्रायव्हरला कार्य करण्यासाठी ऑपरेटिंग सिस्टम (OS) आणि नेटवर्क स्टॅक आवश्यक आहे. याव्यतिरिक्त, स्वतंत्र पॅकेट जनरेटर आणि प्रतिसाद सर्व्हरची आवश्यकता असू शकते.

एक पूर्ण-प्लॅटफॉर्म सिम्युलेटर संपूर्ण सॉफ्टवेअर स्टॅक चालविण्यासाठी वातावरण तयार करतो, ज्यामध्ये BIOS आणि बूटलोडरपासून ते OS पर्यंत सर्व काही समाविष्ट असते आणि त्याच नेटवर्क स्टॅक, ड्रायव्हर्स आणि वापरकर्ता-स्तरीय ऍप्लिकेशन्स यांसारख्या विविध उपप्रणालींचा समावेश होतो. हे करण्यासाठी, ते बहुतेक संगणक उपकरणांचे सॉफ्टवेअर मॉडेल लागू करते: प्रोसेसर आणि मेमरी, डिस्क, इनपुट/आउटपुट डिव्हाइसेस (कीबोर्ड, माउस, डिस्प्ले), तसेच समान नेटवर्क कार्ड.

खाली इंटेलच्या x58 चिपसेटचा ब्लॉक आकृती आहे. या चिपसेटवरील फुल-प्लॅटफॉर्म कॉम्प्युटर सिम्युलेटरला IOH (इनपुट/आउटपुट हब) आणि ICH (इनपुट/आउटपुट कंट्रोलर हब) मधील बहुतेक सूचीबद्ध उपकरणांची अंमलबजावणी करणे आवश्यक आहे, जे ब्लॉक डायग्रामवर तपशीलवार चित्रित केलेले नाहीत. . जरी, सराव दाखवल्याप्रमाणे, आम्ही चालवणार आहोत त्या सॉफ्टवेअरद्वारे वापरलेली नसलेली अनेक उपकरणे नाहीत. अशा उपकरणांचे मॉडेल तयार करण्याची आवश्यकता नाही.

बर्याचदा, पूर्ण-प्लॅटफॉर्म सिम्युलेटर प्रोसेसर निर्देश स्तरावर लागू केले जातात (ISA, खाली पहा). मागील लेख). हे आपल्याला सिम्युलेटर स्वतः तुलनेने जलद आणि स्वस्तपणे तयार करण्यास अनुमती देते. ISA पातळी देखील चांगली आहे कारण ती कमी-अधिक प्रमाणात स्थिर राहते, उदाहरणार्थ, API/ABI पातळी, जे अधिक वेळा बदलते. याव्यतिरिक्त, सूचना स्तरावर अंमलबजावणी तुम्हाला तथाकथित असंशोधित बायनरी सॉफ्टवेअर चालविण्यास अनुमती देते, म्हणजे, वास्तविक हार्डवेअरवर वापरल्याप्रमाणेच, कोणत्याही बदलांशिवाय, आधीपासून संकलित केलेला कोड चालवा. दुसऱ्या शब्दांत, तुम्ही तुमच्या हार्ड ड्राइव्हची एक प्रत (“डंप”) बनवू शकता, पूर्ण-प्लॅटफॉर्म सिम्युलेटरमधील मॉडेलसाठी प्रतिमा म्हणून निर्दिष्ट करू शकता आणि व्होइला! - ओएस आणि इतर प्रोग्राम कोणत्याही अतिरिक्त क्रियांशिवाय सिम्युलेटरमध्ये लोड केले जातात.

सिम्युलेटर कामगिरी

वर नमूद केल्याप्रमाणे, संपूर्ण प्रणालीचे अनुकरण करण्याची प्रक्रिया, म्हणजे, त्याची सर्व उपकरणे, ही एक हळूवार उपक्रम आहे. आपण हे सर्व अगदी तपशीलवार स्तरावर देखील अंमलात आणल्यास, उदाहरणार्थ, मायक्रोआर्किटेक्चरल किंवा लॉजिकल, तर अंमलबजावणी अत्यंत मंद होईल. परंतु सूचना पातळी ही एक योग्य निवड आहे आणि OS आणि प्रोग्रामना वापरकर्त्याला त्यांच्याशी आरामात संवाद साधण्यासाठी पुरेशा वेगाने कार्यान्वित करण्यास अनुमती देते.

येथे सिम्युलेटर कामगिरीच्या विषयावर स्पर्श करणे योग्य होईल. हे सहसा IPS (प्रति सेकंद सूचना) मध्ये मोजले जाते, अधिक अचूकपणे MIPS (लाखो IPS) मध्ये, म्हणजेच, एका सेकंदात सिम्युलेटरद्वारे कार्यान्वित केलेल्या प्रोसेसर सूचनांची संख्या. त्याच वेळी, सिम्युलेशनची गती देखील सिस्टमच्या कार्यप्रदर्शनावर अवलंबून असते ज्यावर सिम्युलेशन स्वतः चालते. म्हणून, मूळ सिस्टमच्या तुलनेत सिम्युलेटरच्या "मंदगती" बद्दल बोलणे अधिक योग्य असू शकते.

बाजारातील सर्वात सामान्य फुल-प्लॅटफॉर्म सिम्युलेटर, जसे की QEMU, VirtualBox किंवा VmWare Workstation, यांची कार्यक्षमता चांगली आहे. सिम्युलेटरमध्ये काम चालू आहे हे वापरकर्त्याच्या लक्षातही येत नाही. प्रोसेसर, बायनरी भाषांतर अल्गोरिदम आणि इतर मनोरंजक गोष्टींमध्ये लागू केलेल्या विशेष व्हर्च्युअलायझेशन क्षमतेमुळे हे घडते. हे सर्व एका स्वतंत्र लेखासाठी एक विषय आहे, परंतु थोडक्यात, व्हर्च्युअलायझेशन हे आधुनिक प्रोसेसरचे हार्डवेअर वैशिष्ट्य आहे जे सिम्युलेटर्सना सूचनांचे अनुकरण करू शकत नाही, परंतु त्यांना प्रत्यक्ष प्रोसेसरवर अंमलबजावणीसाठी पाठवू देते, जर, अर्थातच, आर्किटेक्चर सिम्युलेटर आणि प्रोसेसर सारखेच आहेत. बायनरी भाषांतर म्हणजे अतिथी मशीन कोडचे होस्ट कोडमध्ये भाषांतर आणि त्यानंतर वास्तविक प्रोसेसरवर अंमलबजावणी. परिणामी, सिम्युलेशन फक्त किंचित हळुवार आहे, 5-10 वेळा, आणि बर्‍याचदा वास्तविक प्रणाली सारख्याच वेगाने देखील चालते. जरी हे अनेक घटकांनी प्रभावित आहे. उदाहरणार्थ, जर आपल्याला अनेक डझन प्रोसेसर असलेल्या सिस्टमची नक्कल करायची असेल, तर वेग ताबडतोब या अनेक डझन वेळा कमी होईल. दुसरीकडे, नवीनतम आवृत्त्यांमधील सिमिक्स सारखे सिम्युलेटर मल्टीप्रोसेसर होस्ट हार्डवेअरला समर्थन देतात आणि वास्तविक प्रोसेसरच्या कोरवर सिम्युलेटेड कोर प्रभावीपणे समांतर करतात.

जर आपण मायक्रोआर्किटेक्चरल सिम्युलेशनच्या गतीबद्दल बोललो, तर ते सामान्यत: परिमाणांचे अनेक ऑर्डर असते, जे नियमित संगणकावर सिम्युलेशनशिवाय 1000-10000 पटीने कमी असते. आणि तार्किक घटकांच्या स्तरावरील अंमलबजावणी मोठ्या प्रमाणात अनेक क्रमाने धीमे आहे. म्हणून, FPGA या स्तरावर एमुलेटर म्हणून वापरले जाते, जे लक्षणीय कामगिरी वाढवू शकते.

खालील आलेख मॉडेल तपशीलावर सिम्युलेशन गतीची अंदाजे अवलंबित्व दर्शवितो.

बीट-बाय-बीट सिम्युलेशन

त्यांच्या अंमलबजावणीचा वेग कमी असूनही, मायक्रोआर्किटेक्चरल सिम्युलेटर बरेच सामान्य आहेत. प्रत्येक निर्देशाच्या अंमलबजावणीच्या वेळेचे अचूकपणे अनुकरण करण्यासाठी प्रोसेसरच्या अंतर्गत ब्लॉक्सचे सिम्युलेशन आवश्यक आहे. येथे गैरसमज उद्भवू शकतात - तथापि, असे दिसते की, प्रत्येक सूचनेसाठी फक्त अंमलबजावणीची वेळ का प्रोग्राम करू नये. परंतु असे सिम्युलेटर खूप चुकीचे असेल, कारण समान निर्देशांच्या अंमलबजावणीची वेळ कॉल टू कॉल भिन्न असू शकते.

सर्वात सोपा उदाहरण म्हणजे मेमरी ऍक्सेस इंस्ट्रक्शन. विनंती केलेले मेमरी स्थान कॅशेमध्ये उपलब्ध असल्यास, अंमलबजावणीची वेळ किमान असेल. जर ही माहिती कॅशेमध्ये नसेल ("कॅशे मिस"), तर हे निर्देशांच्या अंमलबजावणीची वेळ मोठ्या प्रमाणात वाढवेल. अशा प्रकारे, अचूक सिम्युलेशनसाठी कॅशे मॉडेल आवश्यक आहे. तथापि, हे प्रकरण कॅशे मॉडेलपुरते मर्यादित नाही. जेव्हा तो कॅशेमध्ये नसतो तेव्हा प्रोसेसर मेमरीमधून डेटा पुनर्प्राप्त होण्याची प्रतीक्षा करत नाही. त्याऐवजी, मेमरीमधून वाचण्याच्या परिणामावर अवलंबून नसलेल्या त्या निवडून पुढील सूचनांची अंमलबजावणी सुरू होईल. प्रोसेसरचा निष्क्रिय वेळ कमी करण्यासाठी हे तथाकथित "ऑर्डरच्या बाहेर" अंमलबजावणी (OOO, आउट ऑफ ऑर्डर एक्झिक्यूशन) आहे. सूचनांच्या अंमलबजावणीच्या वेळेची गणना करताना संबंधित प्रोसेसर ब्लॉक्सचे मॉडेलिंग हे सर्व विचारात घेण्यास मदत करेल. या सूचनांपैकी, मेमरीमधून वाचनाच्या निकालाची प्रतीक्षा असताना अंमलात आणली गेली, एक सशर्त उडी ऑपरेशन होऊ शकते. या क्षणी स्थितीचा परिणाम अज्ञात असल्यास, पुन्हा प्रोसेसर अंमलबजावणी थांबवत नाही, परंतु "अंदाज" करतो, योग्य शाखा करतो आणि संक्रमणाच्या बिंदूपासून सूचनांची सक्रियपणे अंमलबजावणी करणे सुरू ठेवतो. असा ब्लॉक, ज्याला शाखा प्रेडिक्टर म्हणतात, मायक्रोआर्किटेक्चरल सिम्युलेटरमध्ये देखील लागू करणे आवश्यक आहे.

खालील चित्र प्रोसेसरचे मुख्य ब्लॉक्स दर्शविते, ते जाणून घेणे आवश्यक नाही, ते केवळ मायक्रोआर्किटेक्चरल अंमलबजावणीची जटिलता दर्शविण्यासाठी दर्शविले आहे.

वास्तविक प्रोसेसरमध्ये या सर्व ब्लॉक्सचे ऑपरेशन विशेष घड्याळ सिग्नलद्वारे सिंक्रोनाइझ केले जाते आणि मॉडेलमध्येही असेच घडते. अशा मायक्रोआर्किटेक्चरल सिम्युलेटरला सायकल अचूक म्हणतात. त्याचा मुख्य उद्देश म्हणजे विकसित होत असलेल्या प्रोसेसरच्या कार्यप्रदर्शनाचा अचूक अंदाज लावणे आणि/किंवा विशिष्ट प्रोग्रामच्या अंमलबजावणीच्या वेळेची गणना करणे, उदाहरणार्थ, बेंचमार्क. जर मूल्ये आवश्यकतेपेक्षा कमी असतील तर अल्गोरिदम आणि प्रोसेसर ब्लॉक्स सुधारणे किंवा प्रोग्राम ऑप्टिमाइझ करणे आवश्यक असेल.

वर दर्शविल्याप्रमाणे, घड्याळ-दर-घड्याळ सिम्युलेशन खूप मंद आहे, म्हणून प्रोग्रामच्या ऑपरेशनच्या विशिष्ट क्षणांचा अभ्यास करतानाच त्याचा वापर केला जातो, जेथे प्रोग्रामच्या अंमलबजावणीची वास्तविक गती शोधणे आणि डिव्हाइसच्या भविष्यातील कार्यक्षमतेचे मूल्यांकन करणे आवश्यक आहे. प्रोटोटाइप नक्कल केले जात आहे.

या प्रकरणात, प्रोग्रामच्या उर्वरित चालू वेळेचे अनुकरण करण्यासाठी फंक्शनल सिम्युलेटर वापरला जातो. वापराचे हे संयोजन प्रत्यक्षात कसे घडते? प्रथम, फंक्शनल सिम्युलेटर लॉन्च केले गेले आहे, ज्यावर ओएस आणि अभ्यासाअंतर्गत प्रोग्राम चालविण्यासाठी आवश्यक असलेली प्रत्येक गोष्ट लोड केली जाते. शेवटी, आम्हाला ओएसमध्येच स्वारस्य नाही, किंवा प्रोग्राम लॉन्च करण्याच्या सुरुवातीच्या टप्प्यात, त्याचे कॉन्फिगरेशन इ. तथापि, आम्ही हे भाग वगळू शकत नाही आणि मधूनमधून प्रोग्राम कार्यान्वित करण्यासाठी लगेच पुढे जाऊ शकत नाही. म्हणून, या सर्व प्राथमिक पायऱ्या फंक्शनल सिम्युलेटरवर चालवल्या जातात. कार्यक्रम आमच्या आवडीच्या क्षणी कार्यान्वित झाल्यानंतर, दोन पर्याय शक्य आहेत. तुम्ही घड्याळ-बाय-सायकल मॉडेलसह मॉडेल पुनर्स्थित करू शकता आणि अंमलबजावणी सुरू ठेवू शकता. एक्झिक्युटेबल कोड वापरणाऱ्या सिम्युलेशन मोडला (म्हणजेच नियमित संकलित प्रोग्राम फाइल्स) एक्झीक्यूशन चालित सिम्युलेशन म्हणतात. हा सर्वात सामान्य सिम्युलेशन पर्याय आहे. दुसरा दृष्टिकोन देखील शक्य आहे - ट्रेस चालित सिम्युलेशन.

ट्रेस-आधारित सिम्युलेशन

यात दोन चरणांचा समावेश आहे. फंक्शनल सिम्युलेटर वापरून किंवा रिअल सिस्टमवर, प्रोग्राम क्रियांचा एक लॉग गोळा केला जातो आणि फाइलवर लिहिला जातो. या लॉगला ट्रेस म्हणतात. काय तपासले जात आहे यावर अवलंबून, ट्रेसमध्ये एक्झिक्युटेबल सूचना, मेमरी पत्ते, पोर्ट क्रमांक आणि व्यत्यय माहिती समाविष्ट असू शकते.

पुढील पायरी म्हणजे ट्रेस “प्ले” करणे, जेव्हा घड्याळ-बाय-क्लॉक सिम्युलेटर ट्रेस वाचतो आणि त्यात लिहिलेल्या सर्व सूचना कार्यान्वित करतो. शेवटी, आम्हाला प्रोग्रामच्या या भागाची अंमलबजावणी वेळ मिळते, तसेच या प्रक्रियेची विविध वैशिष्ट्ये, उदाहरणार्थ, कॅशेमधील हिटची टक्केवारी.

ट्रेससह कार्य करण्याचे एक महत्त्वाचे वैशिष्ट्य म्हणजे दृढनिश्चय, म्हणजेच वर वर्णन केलेल्या पद्धतीने सिम्युलेशन चालवून, आपण क्रियांचा समान क्रम पुन्हा पुन्हा तयार करतो. हे मॉडेल पॅरामीटर्स (कॅशे, बफर आणि रांगेचे आकार) बदलून आणि भिन्न अंतर्गत अल्गोरिदम वापरून किंवा ट्यूनिंग करून, विशिष्ट पॅरामीटर सिस्टम कार्यक्षमतेवर कसा परिणाम करते आणि कोणता पर्याय सर्वोत्तम परिणाम देतो याचा अभ्यास करणे शक्य करते. वास्तविक हार्डवेअर प्रोटोटाइप तयार करण्यापूर्वी हे सर्व प्रोटोटाइप डिव्हाइस मॉडेलसह केले जाऊ शकते.

या दृष्टिकोनाची जटिलता प्रथम अनुप्रयोग चालवणे आणि ट्रेस गोळा करणे तसेच ट्रेस फाईलच्या मोठ्या आकारात आहे. फायद्यांमध्ये हे तथ्य समाविष्ट आहे की डिव्हाइसचा फक्त भाग किंवा स्वारस्य असलेल्या व्यासपीठाचे अनुकरण करणे पुरेसे आहे, तर अंमलबजावणीद्वारे सिम्युलेशनसाठी सामान्यतः संपूर्ण मॉडेलची आवश्यकता असते.

म्हणून, या लेखात आम्ही फुल-प्लॅटफॉर्म सिम्युलेशनची वैशिष्ट्ये पाहिली, वेगवेगळ्या स्तरांवर अंमलबजावणीची गती, घड्याळ-बाय-सायकल सिम्युलेशन आणि ट्रेसबद्दल बोललो. पुढील लेखात मी वैयक्तिक हेतूंसाठी आणि मोठ्या कंपन्यांमध्ये विकासाच्या दृष्टिकोनातून सिम्युलेटर वापरण्याच्या मुख्य परिस्थितींचे वर्णन करेन.

स्त्रोत: www.habr.com