कम्प्युटर प्रणालीका सिमुलेटरहरू: एक परिचित पूर्ण-प्लेटफर्म सिमुलेटर र अज्ञात घडीको दिशा र ट्रेसहरू

कम्प्युटर प्रणाली सिमुलेटरहरूको बारेमा लेखको दोस्रो भागमा, म कम्प्युटर सिमुलेटरहरूको बारेमा साधारण परिचयात्मक रूपमा कुरा गर्न जारी राख्नेछु, अर्थात् पूर्ण-प्लेटफर्म सिमुलेशनको बारेमा, जुन औसत प्रयोगकर्ताले प्रायः भेट्छ, साथै घडी-द्वारा। - घडीको मोडेल र ट्रेसहरू, जुन विकासकर्ता सर्कलहरूमा बढी सामान्य छन्।

В पहिलो भाग मैले सिमुलेटरहरू सामान्य रूपमा के हुन्, साथै सिमुलेशनको स्तरहरूको बारेमा कुरा गरें। अब, त्यो ज्ञानको आधारमा, म अलि गहिरो डुब्न प्रस्ताव गर्छु र फुल-प्लेटफर्म सिमुलेशन, कसरी ट्रेसहरू सङ्कलन गर्ने, तिनीहरूलाई पछि के गर्ने, साथै घडी-ब-घडी माइक्रोआर्किटेक्चरल इमुलेशनको बारेमा कुरा गर्ने प्रस्ताव गर्दछु।

पूर्ण प्लेटफर्म सिम्युलेटर, वा "क्षेत्रमा एक्लै योद्धा होइन"

यदि तपाइँ एक विशेष यन्त्रको सञ्चालन अध्ययन गर्न चाहनुहुन्छ भने, उदाहरणका लागि, नेटवर्क कार्ड, वा फर्मवेयर वा यस यन्त्रको लागि ड्राइभर लेख्नुहोस्, त्यसपछि यस्तो उपकरण अलग रूपमा सिमुलेट गर्न सकिन्छ। यद्यपि, यसलाई बाँकी पूर्वाधारबाट अलग राखेर प्रयोग गर्नु धेरै सुविधाजनक छैन। सम्बन्धित ड्राइभर चलाउनको लागि, तपाईंलाई केन्द्रीय प्रोसेसर, मेमोरी, डाटा बसमा पहुँच, आदि आवश्यक पर्दछ। थप रूपमा, ड्राइभरलाई अपरेटिङ सिस्टम (OS) र कार्य गर्न नेटवर्क स्ट्याक चाहिन्छ। थप रूपमा, एक अलग प्याकेट जनरेटर र प्रतिक्रिया सर्भर आवश्यक हुन सक्छ।

एक पूर्ण-प्लेटफर्म सिम्युलेटरले पूर्ण सफ्टवेयर स्ट्याक चलाउनको लागि वातावरण सिर्जना गर्दछ, जसमा BIOS र बुटलोडरदेखि OS आफैं र यसका विभिन्न उपप्रणालीहरू, जस्तै समान नेटवर्क स्ट्याक, ड्राइभरहरू, र प्रयोगकर्ता-स्तर अनुप्रयोगहरू समावेश हुन्छन्। यो गर्नका लागि, यसले धेरै कम्प्युटर उपकरणहरूको सफ्टवेयर मोडेलहरू लागू गर्दछ: प्रोसेसर र मेमोरी, डिस्क, इनपुट/आउटपुट उपकरणहरू (किबोर्ड, माउस, प्रदर्शन), साथै उही नेटवर्क कार्ड।

तल इंटेलबाट x58 चिपसेटको ब्लक रेखाचित्र छ। यस चिपसेटमा पूर्ण-प्लेटफर्म कम्प्युटर सिम्युलेटरलाई IOH (इनपुट/आउटपुट हब) र ICH (इनपुट/आउटपुट कन्ट्रोलर हब) भित्रका सूचीबद्ध यन्त्रहरू सहित, जसलाई ब्लक रेखाचित्रमा विस्तृत रूपमा चित्रण गरिएको छैन। । यद्यपि, अभ्यासले देखाएको रूपमा, त्यहाँ धेरै उपकरणहरू छैनन् जुन सफ्टवेयरले प्रयोग नगरेको हो जुन हामीले चलाउन जाँदैछौं। त्यस्ता उपकरणहरूको मोडेलहरू सिर्जना गर्न आवश्यक छैन।

प्रायः, पूर्ण-प्लेटफर्म सिमुलेटरहरू प्रोसेसर निर्देशन स्तरमा लागू गरिन्छ (ISA, तल हेर्नुहोस्)। अघिल्लो लेख)। यसले तपाईंलाई सिम्युलेटर आफैलाई तुलनात्मक रूपमा छिटो र सस्तो बनाउन अनुमति दिन्छ। ISA स्तर पनि राम्रो छ किनभने यो कम वा कम स्थिर रहन्छ, विपरीत, उदाहरणका लागि, API/ABI स्तर, जुन धेरै पटक परिवर्तन हुन्छ। थप रूपमा, निर्देशन स्तरमा कार्यान्वयनले तपाईंलाई तथाकथित अपरिष्कृत बाइनरी सफ्टवेयर चलाउन अनुमति दिन्छ, अर्थात्, कुनै पनि परिवर्तन बिना पहिले नै कम्पाइल गरिएको कोड चलाउनुहोस्, जुन वास्तविक हार्डवेयरमा प्रयोग गरिन्छ। अर्को शब्दमा, तपाईले आफ्नो हार्ड ड्राइभको प्रतिलिपि ("डम्प") बनाउन सक्नुहुन्छ, यसलाई पूर्ण-प्लेटफर्म सिम्युलेटरमा मोडेलको छविको रूपमा निर्दिष्ट गर्नुहोस्, र भोइला! - ओएस र अन्य कार्यक्रमहरू कुनै पनि अतिरिक्त कार्यहरू बिना सिम्युलेटरमा लोड हुन्छन्।

सिम्युलेटर प्रदर्शन

जस्तै माथि उल्लेख गरिएको थियो, सम्पूर्ण प्रणाली अनुकरण गर्ने प्रक्रिया, त्यो हो, यसको सबै उपकरणहरू, एक ढिलो उपक्रम हो। यदि तपाइँ यी सबैलाई धेरै विस्तृत स्तरमा लागू गर्नुहुन्छ, उदाहरणका लागि, माइक्रोआर्किटेक्चरल वा तार्किक, त्यसपछि कार्यान्वयन अत्यन्त ढिलो हुनेछ। तर निर्देशन स्तर उपयुक्त छनोट हो र OS र प्रोग्रामहरूलाई प्रयोगकर्तालाई सहज रूपमा अन्तरक्रिया गर्नको लागि पर्याप्त गतिमा कार्यान्वयन गर्न अनुमति दिन्छ।

यहाँ यो सिम्युलेटर प्रदर्शन को विषय मा छुनु उपयुक्त हुनेछ। यो सामान्यतया आईपीएस (निर्देशन प्रति सेकेन्ड) मा मापन गरिन्छ, अझ सटीक रूपमा MIPS (लाखो आईपीएस) मा, अर्थात्, एक सेकेन्डमा सिम्युलेटर द्वारा निष्पादित प्रोसेसर निर्देशनहरूको संख्या। एकै समयमा, सिमुलेशनको गति पनि प्रणालीको प्रदर्शनमा निर्भर गर्दछ जसमा सिमुलेशन आफै चल्छ। तसर्थ, मूल प्रणालीको तुलनामा सिम्युलेटरको "ढिलो" को बारेमा कुरा गर्न यो अझ सही हुन सक्छ।

बजारमा सबैभन्दा सामान्य पूर्ण-प्लेटफर्म सिमुलेटरहरू, जस्तै QEMU, VirtualBox वा VmWare Workstation, राम्रो प्रदर्शन छ। सिम्युलेटरमा काम भइरहेको छ भन्ने कुरा प्रयोगकर्तालाई थाहा नहुन सक्छ। यो प्रोसेसर, बाइनरी अनुवाद एल्गोरिदम र अन्य रोचक चीजहरूमा लागू विशेष भर्चुअलाइजेशन क्षमताहरूको लागि धन्यवाद हुन्छ। यो सबै छुट्टै लेखको लागि विषय हो, तर छोटकरीमा, भर्चुअलाइजेशन आधुनिक प्रोसेसरहरूको हार्डवेयर सुविधा हो जसले सिमुलेटरहरूलाई निर्देशनहरू अनुकरण गर्न अनुमति दिन्छ, तर तिनीहरूलाई प्रत्यक्ष प्रोसेसरमा कार्यान्वयनको लागि पठाउन अनुमति दिन्छ, यदि, अवश्य पनि, वास्तुकलाहरू। सिम्युलेटर र प्रोसेसर समान छन्। बाइनरी अनुवाद होस्ट कोडमा अतिथि मेसिन कोडको अनुवाद र वास्तविक प्रोसेसरमा पछिको कार्यान्वयन हो। नतिजाको रूपमा, सिमुलेशन केवल थोरै ढिलो हुन्छ, 5-10 पटक, र प्रायः वास्तविक प्रणालीको रूपमा उही गतिमा पनि चल्छ। यद्यपि यो धेरै कारकहरु द्वारा प्रभावित छ। उदाहरण को लागी, यदि हामी धेरै दर्जन प्रोसेसरहरु संग एक प्रणाली सिमुलेट गर्न चाहन्छौं, त्यसपछि गति तुरुन्तै यी दर्जनौं पटक घट्नेछ। अर्कोतर्फ, नवीनतम संस्करणहरूमा सिमिक्स जस्ता सिमुलेटरहरूले मल्टिप्रोसेसर होस्ट हार्डवेयरलाई समर्थन गर्दछ र प्रभावकारी रूपमा सिमुलेटेड कोरहरूलाई वास्तविक प्रोसेसरको कोरहरूमा समानान्तर गर्दछ।

यदि हामी माइक्रोआर्किटेक्चरल सिमुलेशनको गतिको बारेमा कुरा गर्छौं भने, यो सामान्यतया परिमाणको धेरै अर्डरहरू, सिमुलेशन बिना नियमित कम्प्युटरमा कार्यान्वयन भन्दा लगभग 1000-10000 गुणा ढिलो हुन्छ। र तार्किक तत्वहरूको स्तरमा कार्यान्वयनहरू परिमाणका धेरै अर्डरहरूद्वारा ढिलो हुन्छन्। त्यसकारण, FPGA यस स्तरमा इमुलेटरको रूपमा प्रयोग गरिन्छ, जसले कार्यसम्पादनलाई उल्लेखनीय रूपमा बढाउन सक्छ।

तलको ग्राफले मोडेल विवरणमा सिमुलेशन गतिको अनुमानित निर्भरता देखाउँछ।

बीट-द्वारा-बिट सिमुलेशन

तिनीहरूको कम निष्पादन गतिको बावजुद, माइक्रोआर्किटेक्चरल सिमुलेटरहरू धेरै सामान्य छन्। प्रोसेसरको आन्तरिक ब्लकहरूको सिमुलेशन प्रत्येक निर्देशनको कार्यान्वयन समय सही रूपमा अनुकरण गर्न आवश्यक छ। गलतफहमी यहाँ उत्पन्न हुन सक्छ - सबै पछि, यो देखिन्छ, किन केवल प्रत्येक निर्देशन को लागी कार्यान्वयन समय कार्यक्रम छैन। तर यस्तो सिम्युलेटर धेरै गलत हुनेछ, किनकि एउटै निर्देशन को कार्यान्वयन समय कल देखि कल फरक हुन सक्छ।

सरल उदाहरण मेमोरी पहुँच निर्देशन हो। यदि अनुरोध गरिएको मेमोरी स्थान क्यासमा उपलब्ध छ भने, कार्यान्वयन समय न्यूनतम हुनेछ। यदि यो जानकारी क्यासमा छैन ("क्यास मिस"), त्यसपछि यसले निर्देशनको कार्यान्वयन समयलाई धेरै बढाउँछ। तसर्थ, सही सिमुलेशनको लागि क्यास मोडेल आवश्यक छ। यद्यपि, कुरा क्यास मोडेलमा सीमित छैन। प्रोसेसरले क्यासमा नभएको बेला मेमोरीबाट डाटा पुन: प्राप्त गर्नको लागि मात्र पर्खिने छैन। यसको सट्टा, यसले अर्को निर्देशनहरू कार्यान्वयन गर्न थाल्छ, मेमोरीबाट पढ्ने परिणाममा निर्भर नहुनेहरूलाई छनोट गर्दै। यो तथाकथित "अर्ड अफ अर्डर" कार्यान्वयन (OOO, आउट अफ अर्डर कार्यान्वयन) हो, प्रोसेसरको निष्क्रिय समय कम गर्न आवश्यक छ। सम्बन्धित प्रोसेसर ब्लकहरू मोडेलिङले निर्देशनहरूको कार्यान्वयन समय गणना गर्दा यी सबैलाई ध्यानमा राख्न मद्दत गर्नेछ। यी निर्देशनहरू मध्ये, मेमोरीबाट पढाइको नतिजा पर्खिरहेको बेला कार्यान्वयन गरियो, सशर्त जम्प अपरेशन हुन सक्छ। यदि अवस्थाको परिणाम यस समयमा अज्ञात छ भने, त्यसपछि फेरि प्रोसेसरले कार्यान्वयन रोक्दैन, तर "अनुमान" बनाउँछ, उपयुक्त शाखा प्रदर्शन गर्दछ र संक्रमणको बिन्दुबाट सक्रिय रूपमा निर्देशनहरू कार्यान्वयन गर्न जारी राख्छ। यस्तो ब्लक, एक शाखा भविष्यवाणी भनिन्छ, पनि microarchitectural सिम्युलेटर मा लागू गरिनु पर्छ।

तलको चित्रले प्रोसेसरको मुख्य ब्लकहरू देखाउँछ, यो जान्न आवश्यक छैन, यो केवल माइक्रोआर्किटेक्चरल कार्यान्वयनको जटिलता देखाउनको लागि देखाइएको छ।

वास्तविक प्रोसेसरमा यी सबै ब्लकहरूको सञ्चालन विशेष घडी संकेतहरू द्वारा सिंक्रोनाइज गरिएको छ, र त्यहि मोडेलमा हुन्छ। यस्तो माइक्रोआर्किटेक्चरल सिमुलेटरलाई साइकल एक्युरेट भनिन्छ। यसको मुख्य उद्देश्य विकसित भइरहेको प्रोसेसरको कार्यसम्पादनको सही भविष्यवाणी गर्नु र/वा विशेष कार्यक्रमको कार्यान्वयन समय गणना गर्नु हो, उदाहरणका लागि, बेन्चमार्क। यदि मानहरू आवश्यक भन्दा कम छन् भने, त्यसपछि यो एल्गोरिदम र प्रोसेसर ब्लकहरू परिमार्जन गर्न वा कार्यक्रम अनुकूलन गर्न आवश्यक हुनेछ।

माथि देखाइए अनुसार, घडी-द्वारा-घडी सिमुलेशन धेरै ढिलो छ, त्यसैले यो कार्यक्रमको सञ्चालनको निश्चित क्षणहरू अध्ययन गर्दा मात्र प्रयोग गरिन्छ, जहाँ कार्यक्रम कार्यान्वयनको वास्तविक गति पत्ता लगाउन र उपकरणको भविष्यको प्रदर्शन मूल्याङ्कन गर्न आवश्यक छ। प्रोटोटाइप सिमुलेटेड भइरहेको छ।

यस अवस्थामा, कार्यक्रमको बाँकी चलिरहेको समय अनुकरण गर्न कार्यात्मक सिम्युलेटर प्रयोग गरिन्छ। प्रयोगको यो संयोजन वास्तविकतामा कसरी हुन्छ? पहिलो, कार्यात्मक सिम्युलेटर सुरु गरिएको छ, जसमा OS र अध्ययन अन्तर्गत कार्यक्रम चलाउन आवश्यक सबै लोड गरिएको छ। आखिर, हामी OS मा रुचि राख्दैनौं, न त कार्यक्रम सुरु गर्ने प्रारम्भिक चरणहरूमा, यसको कन्फिगरेसन, आदि। यद्यपि, हामी यी भागहरू पनि छोड्न सक्दैनौं र तुरुन्तै बीचबाट कार्यक्रम कार्यान्वयन गर्न अगाडि बढ्न सक्दैनौं। त्यसकारण, यी सबै प्रारम्भिक चरणहरू कार्यात्मक सिम्युलेटरमा चलाइएका छन्। कार्यक्रम हामीलाई चासोको क्षणमा कार्यान्वयन गरिसकेपछि, दुई विकल्पहरू सम्भव छन्। तपाईं घडी-द्वारा-साइकल मोडेलको साथ मोडेल प्रतिस्थापन र कार्यान्वयन जारी राख्न सक्नुहुन्छ। सिमुलेशन मोड जसले कार्यान्वयनयोग्य कोड प्रयोग गर्दछ (अर्थात, नियमित कम्पाइल गरिएको प्रोग्राम फाइलहरू) लाई कार्यान्वयन संचालित सिमुलेशन भनिन्छ। यो सबैभन्दा सामान्य सिमुलेशन विकल्प हो। अर्को दृष्टिकोण पनि सम्भव छ - ट्रेस संचालित सिमुलेशन।

ट्रेस-आधारित सिमुलेशन

यो दुई चरणहरू मिलेर बनेको छ। कार्यात्मक सिम्युलेटर वा वास्तविक प्रणालीमा प्रयोग गरी, कार्यक्रम कार्यहरूको लग सङ्कलन गरिन्छ र फाइलमा लेखिन्छ। यो लगलाई ट्रेस भनिन्छ। के जाँच गरिँदैछ भन्ने आधारमा, ट्रेसले कार्यान्वयनयोग्य निर्देशनहरू, मेमोरी ठेगानाहरू, पोर्ट नम्बरहरू, र अवरोध जानकारी समावेश गर्न सक्छ।

अर्को चरण ट्रेसलाई "प्ले" गर्नु हो, जब घडी-द्वारा-घडी सिमुलेटरले ट्रेस पढ्छ र यसमा लेखिएका सबै निर्देशनहरू कार्यान्वयन गर्दछ। अन्तमा, हामीले कार्यक्रमको यो टुक्राको कार्यान्वयन समय, साथै यस प्रक्रियाका विभिन्न विशेषताहरू, उदाहरणका लागि, क्यासमा हिटहरूको प्रतिशत पाउँछौं।

ट्रेसहरूसँग काम गर्ने एउटा महत्त्वपूर्ण विशेषता भनेको निर्धारणवाद हो, त्यो हो, माथि वर्णन गरिएको तरिकामा सिमुलेशन चलाएर, बारम्बार हामी कार्यहरूको एउटै अनुक्रम पुन: उत्पादन गर्छौं। यसले यो सम्भव बनाउँछ, मोडेल प्यारामिटरहरू (क्यास, बफर र लाम आकारहरू) परिवर्तन गरेर र विभिन्न आन्तरिक एल्गोरिदमहरू प्रयोग गरेर वा तिनीहरूलाई ट्युनिङ गरेर, एउटा विशेष प्यारामिटरले प्रणालीको कार्यसम्पादनलाई कसरी असर गर्छ र कुन विकल्पले उत्तम परिणाम दिन्छ भन्ने अध्ययन गर्न। यो सबै एक वास्तविक हार्डवेयर प्रोटोटाइप सिर्जना गर्नु अघि एक प्रोटोटाइप उपकरण मोडेल संग गर्न सकिन्छ।

यस दृष्टिकोणको जटिलता पहिले अनुप्रयोग चलाउन र ट्रेस सङ्कलन गर्न आवश्यक छ, साथै ट्रेस फाइलको ठूलो आकार। फाइदाहरूमा यो तथ्य समावेश छ कि यो उपकरणको अंश वा चासोको प्लेटफर्म मात्र सिमुलेट गर्न पर्याप्त छ, जबकि कार्यान्वयन द्वारा सिमुलेशन सामान्यतया पूर्ण मोडेल चाहिन्छ।

त्यसोभए, यस लेखमा हामीले पूर्ण-प्लेटफर्म सिमुलेशनका सुविधाहरू हेर्यौं, विभिन्न स्तरहरूमा कार्यान्वयनको गति, घडी-द्वारा-साइकल सिमुलेशन र ट्रेसहरूको बारेमा कुरा गर्यौं। अर्को लेखमा म व्यक्तिगत उद्देश्यका लागि र ठूला कम्पनीहरूमा विकासको दृष्टिकोणबाट सिमुलेटरहरू प्रयोग गर्ने मुख्य परिदृश्यहरू वर्णन गर्नेछु।

स्रोत: www.habr.com