協(xié)同仿真中的精確異常保證技術(shù)

莊 寬，蔣烈輝，李軼民，王飛龍

（1.數(shù)學(xué)工程與先進(jìn)計(jì)算國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州450001；2.成都軍區(qū)政治部，四川 成都751104）

0 引 言

系統(tǒng)仿真器在支持精確異常機(jī)制上一般是通過定位基本塊、發(fā)現(xiàn)異常、回滾、重新翻譯執(zhí)行的方法，給仿真帶來(lái)一定的性能開銷［1－6］。支持精確異常一般分為在軟件層實(shí)現(xiàn)和硬件層實(shí)現(xiàn)，QEMU［7］對(duì)精確異常的處理在軟件層實(shí)現(xiàn)，采用定位基本塊塊首EIP，保存塊首處理器狀態(tài)，當(dāng)異常在基本塊中發(fā)生時(shí)，通過定位的EIP回滾到塊首位置，恢復(fù)塊首位置處理器狀態(tài)，然后再進(jìn)行逐條翻譯執(zhí)行，可以定位到異常發(fā)生的位置，這種支持精確異常的方式由于需要回滾、解釋執(zhí)行，因而降低系統(tǒng)仿真的效率。Code Morphing Software（CMS）［8，9］通過使用影子寄存器 （shadow register）和可撤銷寫緩存硬件支持來(lái)實(shí)現(xiàn)精確異常，CMS將基本塊作為一個(gè)事物 （transaction）來(lái)執(zhí)行，用影子寄存器和可撤銷寫緩存來(lái)保存執(zhí)行過程中機(jī)器狀態(tài)變化以及對(duì)內(nèi)存的修改，只有當(dāng)沒有異常發(fā)生時(shí)，才將機(jī)器狀態(tài)更新并將可撤銷寫緩存寫入內(nèi)存，當(dāng)異常發(fā)生時(shí)，恢復(fù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)機(jī)器狀態(tài)，并進(jìn)行逐條的翻譯執(zhí)行以確保精確異常。CMS通過硬件的支持來(lái)實(shí)現(xiàn)精確異常，節(jié)省了其在精確異常方面的時(shí)間，從而提高了性能，由于CMS需要在處理器中使用大量的影子寄存器，因而此方法的多平臺(tái)通用性不強(qiáng)。

本文依托全系統(tǒng)仿真軟件AB （architecture bridge），其支持精確異常采用軟件層實(shí)現(xiàn)，下文將用軟硬件協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)AB 的精確異常機(jī)制，最終使其對(duì)異常能快速準(zhǔn)確定位。

1 簡(jiǎn)介

如圖1 所示，AB 主要對(duì)CPU、I／O、內(nèi)存等進(jìn)行仿真，通過循環(huán)的譯碼、翻譯、執(zhí)行來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的仿真。

圖1 AB整體結(jié)構(gòu)框架

AB的結(jié)構(gòu)包括由初始化、動(dòng)態(tài)二進(jìn)制翻譯器、內(nèi)存虛擬化、I／O 仿真4部分組成，如圖2所示。

初始化階段主要包括：解析用戶提交的虛擬機(jī)配置相關(guān)的命令行參數(shù)、為虛擬機(jī)建立物理內(nèi)存并建立映射關(guān)系、初始化二進(jìn)制翻譯器、初始化虛擬CPU、初始化I／O 子系統(tǒng)等。當(dāng)初始化結(jié)束后，啟動(dòng)動(dòng)態(tài)二進(jìn)制翻譯器，后者將根據(jù)當(dāng)前PC值從虛擬機(jī)內(nèi)存中取指、譯碼、翻譯并執(zhí)行，開始虛擬機(jī)的運(yùn)行。

動(dòng)態(tài)二進(jìn)制翻譯器：動(dòng)態(tài)二進(jìn)制翻譯器目前的主要特性是：以基本塊為翻譯單位，支持翻譯緩存，采用C 代碼仿真x86的復(fù)雜操作 （如訪存操作、涉及保護(hù)檢查的指令、可能引發(fā)異常的指令等），基于指令操作原語(yǔ)的翻譯。主要循環(huán)的進(jìn)行以下工作：異常檢測(cè)與派發(fā)、外部中斷檢測(cè)與派發(fā)、TB－CACHE查找、譯碼、翻譯、I－CACHE 刷新、上下文切換（prologue）、TB執(zhí)行、上下文切換（epilogue）。

內(nèi)存虛擬化：AB內(nèi)存虛擬化包括兩大模塊：一是物理內(nèi)存虛擬化，即使用宿主機(jī)的虛擬內(nèi)存來(lái)模擬客戶機(jī)的物理內(nèi)存，二是MMU 虛擬化，即仿真x86 的MMU。主要完成虛擬TLB 的查找，GVA （guest virtual address）到GPA （guest physical address）的轉(zhuǎn)化，GPA 到 HVA（host virtual address）的轉(zhuǎn)化。

I／O 仿真：虛擬化I／O 設(shè)備的方法一般有3 種：設(shè)備仿真、直接設(shè)備訪問和虛擬設(shè)備模型，AB目前以軟件方式實(shí)現(xiàn)了與P6處理器配套的典型I／O 接口和設(shè)備的仿真，包括芯片組 （i440fx／piix3）、PIC （i8259）、PIT （i8254）、鍵盤接口 （i8042）、IDE、標(biāo)準(zhǔn)VGA、UART 等。

圖2 AB的執(zhí)行

2 AB對(duì)精確異常的處理

精確異常是指當(dāng)異常發(fā)生之前所有的指令都正確的執(zhí)行完畢［10，11］，之后的所有指令都沒有執(zhí)行。滿足精確異常的處理器，在軟件層看來(lái)，指令是順序執(zhí)行的。

在翻譯x86指令時(shí)，AB僅在確保不會(huì)有異常發(fā)生時(shí)才會(huì)修改虛擬機(jī)的狀態(tài)，因此當(dāng)異常發(fā)生時(shí)，可以確保有正確的機(jī)器狀態(tài)。唯一的例外是EIP 的值，出于效率方面的考慮，AB在翻譯每條指令時(shí)，并不生成指令來(lái)更新EIP的值，因此當(dāng)發(fā)生異常時(shí)，應(yīng)該恢復(fù)EIP的值。

有3種情景需要考慮EIP的恢復(fù)：

（1）取指 （譯碼）時(shí)發(fā)生異常 （＃PF 或＃GP）。取指時(shí)，異常僅會(huì)發(fā)生在取基本塊的第一條指令時(shí) （如指令的第一個(gè)字節(jié)所在的頁(yè)不在內(nèi)存中），或發(fā)生在指令跨頁(yè)時(shí)（指令的尾部所在的頁(yè)不在內(nèi)存中）。對(duì)于第一種情況，由于處于塊邊界，因此EIP 的值可滿足精確異常的需要。對(duì)于第二種情況，AB在翻譯時(shí)會(huì)識(shí)別指令跨頁(yè)的情況 （返回DCDR＿RIDE＿PG），若該跨頁(yè)的指令不是基本塊的第一條指令，則結(jié)束基本塊。下次翻譯時(shí)，跨頁(yè)指令將是基本塊的第一條指令，若發(fā)生異常，EIP的值可確保精確異常。

（2）TB執(zhí)行過程中發(fā)生異常。若指令非訪存指令 （如LJMP等）且可能引發(fā)異常，AB在翻譯x86指令時(shí)會(huì)生成OpenRisc指令來(lái)保存當(dāng)前EIP的值，以便異常發(fā)生時(shí)有正確的EIP值可用。若指令為普通訪存指令（如MOV等），當(dāng)發(fā)生異常時(shí)，mmu＿rd／wt（）會(huì)根據(jù)翻譯基本塊時(shí)生成的EIP到HOST＿PC 的對(duì)應(yīng)關(guān)系調(diào)用restore＿eip （）來(lái)恢復(fù)EIP的值。由于restore＿eip（）實(shí)現(xiàn)上的限制 （利用＿＿builtin＿return＿address（0）返回的HOST＿PC，并判斷HOST＿PC是否在TB范圍內(nèi)），要求在TB中直接調(diào)用mmu＿rd／wt（），而不能在helper＿xxx（）中調(diào)用mmu＿rd／wt（）。

某些特殊的指令使用helper＿xxx （）實(shí)現(xiàn)且需使用mmu＿rd／wt（）進(jìn)行隱含的訪存操作，如MOV DS，AX指令會(huì)訪問描述符表，可能發(fā)生＃PF 異常，由于是在helper＿xxx （）上下文中調(diào)用mmu＿rd／wt（），因此restore＿eip （）無(wú)法恢復(fù)出正確的EIP。對(duì)于這種指令，AB也應(yīng)在翻譯指令時(shí)將加入OpenRisc指令來(lái)保持當(dāng)前EIP的值，此時(shí)即使restore＿eip （）無(wú)法恢復(fù)出正確的EIP，也可確保異常發(fā)生時(shí)有正確的EIP可用。

（3）中斷或異常處理過程中的異常。中斷或異常的遞交在cpu＿exec（）上下文中進(jìn)行，隱含著訪存操作 （訪問各種描述符表），并且可能引發(fā)各種保護(hù)異常 （包括＃PF異常）。中斷總是在基本塊的邊界處理，因此可確保EIP的值滿足精確異常的要求。由于 （1）、 （2）的保證，可確保異常處理時(shí)EIP的值滿足精確異常的要求。若中斷或異常的遞交過程中再次發(fā)生異常，EIP的值仍是精確的。

AB在對(duì)客戶機(jī)指令翻譯完執(zhí)行之前，每次都要進(jìn)行異常檢測(cè)，在進(jìn)行異常檢測(cè)前，都不會(huì)對(duì)機(jī)器的狀態(tài)進(jìn)行任何修改，這樣在一定程度上能支持精確異常，但其由于是嚴(yán)格按照程序順序的執(zhí)行，并且在每條指令尾部提交機(jī)器的狀態(tài)，這種保守的機(jī)制對(duì)虛擬機(jī)的性能有一定的影響，然后對(duì)于一些指令重排、死代碼刪除等等的優(yōu)化工作受到了很多的限制。本文采用協(xié)同處理的方式，將軟件層面的精確異常支持由硬件部分維護(hù)與完成，降低AB 在精確異常方面的開銷，并且能給后期的軟件優(yōu)化工作帶來(lái)方便。

3 實(shí)現(xiàn)

3.1 依托平臺(tái)

本文所使用處理器平臺(tái)為開源組織OpenCore組織維護(hù)與發(fā)展的處理器OpenRisc，OpenRisc處理器采用五級(jí)流水線和哈佛結(jié)構(gòu) （Harvard architecture），支持內(nèi)存管理單元（MMU），Cache，帶有基本的DSP功能，外部數(shù)據(jù)和地址總線采用Wishbone片上總線標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了基本指令集和向量指令，并支持指令擴(kuò)展，可以增加8 個(gè)自定義指令。具有完整的工具鏈，包括開源的軟件開發(fā)工具、C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的cpu仿真模型、操作系統(tǒng)，以及軟件應(yīng)用所需的函數(shù)庫(kù)等。其處理器Verilog HDL代碼開源，可供個(gè)人與企業(yè)開發(fā)使用。由于其諸多優(yōu)勢(shì)，使得OpenRisc得到了廣泛的關(guān)注。

3.2 精確異常

對(duì)精確異常的支持，是處理器的基本特性，因此，系統(tǒng)仿真中對(duì)異常的仿真不可避免。AB對(duì)異常仿真時(shí)，每次更改處理器狀態(tài)都需要對(duì)異常進(jìn)行檢測(cè)，只有在沒有任何異常產(chǎn)生時(shí)，才會(huì)改變處理器狀態(tài)，每次的異常檢測(cè)需要耗費(fèi)一定的時(shí)間，降低了仿真的效率。并且AB 在修改宿主機(jī)EIP時(shí)采用了 “懶惰算法”，即在翻譯后基本塊執(zhí)行過程中不更改宿主機(jī)EIP，當(dāng)一個(gè)基本塊執(zhí)行完畢時(shí)才修改宿主機(jī)EIP，當(dāng)異常發(fā)生時(shí)，只需要恢復(fù)宿主機(jī)EIP。在恢復(fù)宿主機(jī)EIP時(shí)，需要根據(jù)基本塊生成時(shí)的EIP和HOST＿PC的關(guān)系，通過restore＿eip （），進(jìn)行恢復(fù)。在恢復(fù)宿主機(jī)EIP時(shí)，需要調(diào)用mmu＿wd／rd查找對(duì)應(yīng)關(guān)系，然后恢復(fù)出宿主機(jī)EIP，需要相當(dāng)多的時(shí)鐘周期完成。因而，異常的檢測(cè)與恢復(fù)宿主機(jī)EIP 都對(duì)性能有一定的影響。鑒于AB在異常仿真方面對(duì)性能的影響，采用建立翻譯前EIP與翻譯后HOST ＿PC 對(duì)應(yīng)關(guān)系表，通過反向查表，定位EIP。

在系統(tǒng)仿真中，翻譯前的基本塊BB （Basic Block）中一條指令B1 可能對(duì)應(yīng)于T1、T2、…、Tn多條OpenRisc指令，當(dāng)翻譯的指令塊TB （Translation Block）執(zhí)行時(shí)，如果在T2處發(fā)生異常，則需要通過異常的發(fā)生位置T2，查找到源指令B1，這樣才能定位異常，考慮到翻譯前的基本塊BB 與翻譯后的基本塊TB的對(duì)應(yīng)關(guān)系B1－＞ （T1，Tn），如圖3所示。

圖3 異常對(duì)應(yīng)關(guān)系

可以建立BTMT （basic block to translated block mapping table）表記錄翻譯前基本塊BB 的EIP 與翻譯后基本塊TB的HOST＿PC對(duì)應(yīng)關(guān)系，見表1。

表1 EIP與HOST＿PC關(guān)系

當(dāng)異常發(fā)生的位置Ti.begin≤Ti.except≤Ti.end 時(shí)，則對(duì)應(yīng)的宿主機(jī)基本塊中異常發(fā)生位置指令Bi即可定位。因此，在異常發(fā)生位置Ti.except被定位時(shí)，通過兩者的對(duì)應(yīng)關(guān)系表就能順利找到宿主機(jī)eip。

3.3 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.3.1 BTMT 表的實(shí)現(xiàn)

軟硬件協(xié)同處理方式大致分為兩種：一是，增加硬件電路協(xié)處理器單元，通過增加的硬件電路協(xié)處理單元，協(xié)同處理器完成相應(yīng)工作，以提高處理器的性能，但是這種方式帶來(lái)硬件協(xié)處理單元與處理器之間的通信開銷，并且這種硬件協(xié)處理器設(shè)計(jì)難度較大，不易實(shí)現(xiàn)。二是，修改處理器Verilog HDL 硬件描述語(yǔ)言，以增加特定的功能。這種只需要修改處理器Verilog HDL 硬件描述語(yǔ)言，改動(dòng)較少代碼就能實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能，便于實(shí)現(xiàn)，但是很多處理器受到專利等保護(hù)，不提供處理器Verilog HDL 代碼，造成了在實(shí)現(xiàn)上的難度。因此，結(jié)合OpenRisc開源的特性，我們用第二種方法，采用自定義指令的方式，使其增加特定的查找BTMT 表的功能。

BTMT 表的實(shí)現(xiàn)在翻譯時(shí)生成，在動(dòng)態(tài)二進(jìn)制翻譯器翻譯引擎translate（）函數(shù)中實(shí)現(xiàn)記錄Basic Block的EIP與Translated Block的HOST＿PC之間的BTMT，見表2。

表2 BTMT

翻譯前基本塊BB，對(duì)應(yīng)EIP 為B1、…、Bi、…、Bn，分別與翻譯后的TB建立一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，T1、…、Ti、…、Tn分別為每個(gè)翻譯后指令塊的塊首，此種關(guān)系表格可以簡(jiǎn)化比對(duì)時(shí)間以及底層Verilog HDL 的復(fù)雜度，當(dāng)出現(xiàn)異常指令Ti≤Tii＜Ti＋1時(shí)，即可定位Bi。

建立的BTMT 表在每次隨著基本塊翻譯生成時(shí)生成，當(dāng)基本塊執(zhí)行完畢，修改機(jī)器狀態(tài)，將此基本塊對(duì)應(yīng)的BTMT 表無(wú)效，下一塊基本塊在翻譯之時(shí)，置新生成的BTMT 有效。每次生成的BTMT 表放在OpenRisc處理器的高速緩存中，以在異常發(fā)生時(shí)，由新定義指令調(diào)用，并返回比對(duì)結(jié)果。

3.3.2 自定義指令

所用平臺(tái)處理器OR1200為新指令的定義預(yù)留了8 個(gè)指令槽，這些指令槽有兩種格式，如圖4所示。

圖4 （a）指令格式的預(yù)留操作碼有0x1c、0x1d、0x1e、0x1f，圖4 （b）指令格式的預(yù)留操作碼有0x3c、0x3d、0x3e、0x3f，由于需要通過翻譯基本塊的HOST＿PC查找到客戶機(jī)EIP，因此選擇第二種格式作為新增加指令的格式。

圖4 OR1200自定義指令格式

添加指令包括兩方面工作：一是，硬件層修改。修改OR1200 Verilog HDL 的處理器源碼文件or1200 ＿defines.v、or1200＿cpu.v、or1200＿ctrl.v等文件中分別增加相應(yīng)修改：①對(duì)or1200＿defines.v的修改：添加對(duì)應(yīng)指令操作碼：｀define OR1200＿OR32＿h(yuǎn)te 6＇b111110／／l.the。②對(duì)or1200＿ctrl.v的修改：增加BTMT 表控制比對(duì)邏輯單元以及新指令取指譯碼的控制單元，并輸出到ALU 模塊的比對(duì)信號(hào)，使得新指令能夠?qū)⒌腂TMT 表進(jìn)行比對(duì)，產(chǎn)生比對(duì)結(jié)果。③對(duì)or1200＿alu.v的修改：添加運(yùn)算控制邏輯，并控制返回輸出。新指令l.hte定義l.hte操作碼為0x3c，機(jī)器碼為0xf1e10000，RD 寄存器位置為保存宿主機(jī)EIP的寄存器r15，寄存器RA 位置為保存HOST＿PC 寄存器r16，寄存器RB 位置保留，L、K 相應(yīng)位置均保留機(jī)器。二是，軟件層修改。新定義的指令不能被交叉編譯器識(shí)別，讓新定義的指令在機(jī)器上執(zhí)行，還需修改相關(guān)部分。具體做法有兩種：一是，修改編譯器，增加對(duì)新指令的支持，這種做法較為復(fù)雜，而且會(huì)影響生成代碼的質(zhì)量。二是，修改匯編器，增加內(nèi)嵌機(jī)器碼以及定義新指令到二進(jìn)制編碼的映射等實(shí)現(xiàn)新指令。本次實(shí)現(xiàn)采取第二種方式，首先在交叉編譯工具文件binutils／opcodes／or32－opc.c 加入： ｛"l.hte"，"rD，rA"，"11 0xC DDDDD AAAAA－－－－－－－－－－－－－－－－"，EF （l＿h(yuǎn)te），0，it＿unknown｝，然后用內(nèi)聯(lián)匯編＿asm＿ ＿volatile＿（“l(fā).hte”）調(diào)用新定義指令。

4 測(cè)試分析

實(shí)驗(yàn)硬件平臺(tái)利用以O(shè)R1200處理器所搭建的協(xié)同處理仿真平臺(tái)，系統(tǒng)平臺(tái)為OpenRisc linux，內(nèi)核版本為linux 3.4，軟件平臺(tái)為AB 系統(tǒng)仿真器、fast－tty－linux.img系統(tǒng)鏡像，以及SPEC 2006測(cè)試集的部分子測(cè)試程序。

由于OR1200處理器性能的限制以及平臺(tái)部分資源的不足，實(shí)驗(yàn)選取SPEC 2006 測(cè)試集的4 個(gè)測(cè)試程序400.perlbench、445.gobmk、458.sjeng、462.libquantum對(duì)系統(tǒng)在精確異常方面的開銷進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖5所示。

通過對(duì)增加精確異常的協(xié)處理部分前后的程序運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)增加精確異常協(xié)處理部分后，測(cè)試程序的運(yùn)行時(shí)間比沒有加入?yún)f(xié)處理部分分別有9.16%、14.32%、13.56%、10.48%降低，由于測(cè)試程序400.perlbench 和462.libquantum 程序沒有太多的異常發(fā)生，性能提升相對(duì)較小，而測(cè)試程序458.sjeng和445.gobmk 異常發(fā)生相對(duì)較多，對(duì)性能提升比前兩個(gè)有較為明顯。

圖5 優(yōu)化前后執(zhí)行時(shí)間

因此，對(duì)于觸發(fā)異常較少程序，此方法對(duì)性能的提升相對(duì)較小，而對(duì)于一些局部性不好或者容易觸發(fā)異常的程序，此方法對(duì)性能的提升比較明顯。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了AB 系統(tǒng)仿真器在支持精確異常方面的不足，以及在純軟件實(shí)現(xiàn)上的性能損耗，結(jié)合開源處理器OR1200，通過更改其Verilog HDL硬件描述語(yǔ)言，增加新定義指令，以完成HOST＿PC到宿主機(jī)EIP的轉(zhuǎn)換，經(jīng)過SPEC2006測(cè)試集測(cè)試，性能比優(yōu)化前提高了9.16%～14.32%，根據(jù)其測(cè)試集程序的不同，優(yōu)化的效果也不盡想同。由于系統(tǒng)仿真器AB 在優(yōu)化過程中增加了TB－cache、塊鏈等機(jī)制，給精確異常帶來(lái)困難，此方法有助于今后在軟件層面的深度優(yōu)化。因本文所述方式需改動(dòng)底層硬件描述語(yǔ)言以及交叉編譯工具鏈，其移植性不高。

以上方法雖然在實(shí)踐上比較困難，但對(duì)于一些國(guó)產(chǎn)處理器的系統(tǒng)仿真器優(yōu)化，有一定的借鑒意義。

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