基于Web的虛擬仿真器在《計算機體系結構》本科教學中的應用

杜振軍 桑國明

摘要：針對計算機本科主干專業(yè)課《計算機體系結構》教學中存在的困難和挑戰(zhàn)，在分析對比了國內外同類模擬器優(yōu)缺點的基礎上，整合設計了一套基于Web模式的體系統(tǒng)結構教學模擬器。這套模擬器覆蓋的知識點全面深入，簡單易用，在教學實踐中發(fā)揮了很好的作用。

關鍵詞：計算機體系結構;本科教學;模擬器

中圖分類號：G642.0 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2016）42-0179-03

一、引言

計算機體系結構是計算機本科專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎課，是一門從架構的角度學習、領會計算機系統(tǒng)的必修課程。這門課在計算機專業(yè)知識體系中有承上啟下的銜接地位，能夠把計算機組成原理、操作系統(tǒng)、編譯原理、匯編語言等課程中所學的軟硬件知識有機地結合起來，有利于建立起計算機系統(tǒng)設計的完整概念。

然而這門課程的教和學的過程中都存在不少困難，很多理論原理用傳統(tǒng)的教學法難以讓學生有效地理解。怎樣將體系結構課程中那些抽象難懂的主題以生動清晰的方式展現在學生面前，讓學生可以與這些主題中的流程動態(tài)交互的方式來學習，是這門課程教學中的一個挑戰(zhàn)。虛擬仿真器（即模擬器）就成為解決這一挑戰(zhàn)的有力工具。在國外著名大學的教學中都借助了這樣的手段，誕生了許多這樣的模擬器工具[1，2]。

這些國外常用的模擬器在教學中應用時還存在不少問題，其中比較突出的是：有的與教材內容的匹配度不夠高;有的操作復雜，運行結果不宜理解，缺乏相應的動畫效果;有的則過于簡化，覆蓋的功能集太小等。這些不足已成為模擬器真正提高教學質量的絆腳石。

在國內設計的模擬器中，同濟大學的張晨曦教授開發(fā)的一套體系結構模擬器算是國內同類模擬器中的佼佼者[3]。然而在我們的教學使用中也發(fā)現它雖簡單易用，原理展示清晰，但是仍不能滿足我們的教學需求。比如，其中的MIPSsim模擬器不能在64位系統(tǒng)上運行，在MIPS指令集的支持上受限，對浮點L.D和S.D指令支持不好等。其中的Cache模擬器沒有清晰展示原理細節(jié)，只適合性能分析實驗。這套模擬器尚缺少超標量、多線程、虛擬存儲、SIMD、輸入輸出等方面的支持。還有就是只能在windows平臺使用，帶來了使用上的限制。

二、基于Web的體系結構模擬器整合設計

從頭設計全套的體系結構模擬器是要花費大量的人力物力的。我們考慮的原則是：盡量整合國內外的優(yōu)秀模擬器技術，并且容易獲取、容易使用，不受使用平臺的限制。用Web技術整合現有優(yōu)秀的模擬器，只需一個瀏覽器，不需事先安裝，不論什么平臺都可訪問使用，而且還可以方便我們對每個學生使用情況進行監(jiān)控。我們在校內建立了一個教學模擬器的服務器網站（校內IP是172.23.204.31）。里面整合了國外著名大學使用的一些Web模式的體系結構教學用模擬器。圖1是該計算機體系結構教學模擬器主頁。

由于包含的模擬器數量較多，下文簡單描述其中的幾個。圖2是基于Web的MIPS模擬器，能夠演示MIPS五段流水線中用到的各個數據通路部件，特別是沖突檢測單元和定向單元。模擬器中不僅列出了每條指令的類型（I型、R型或J型等）和二進制格式（指令的各個字段），還把MIPS指令的執(zhí)行過程與流水線的處理、控制和數據通路設計結合在一起。

圖3是一個簡單的流水線模擬器，以時鐘周期圖的方式演示了5段流水線的沖突問題及其解決方案，主要是針對數據沖突的解決方法（指令調度和定向技術）。圖4是側重動態(tài)調度技術的流水線模擬器，不僅可以演示靜態(tài)調度，還可以對比演示常用的動態(tài)調度技術，比如記分牌算法（Scoreboarding）和Tomasulo算法。

圖5是針對動態(tài)分支預測技術的模擬器，可以演示分支歷史表（1位或2位）技術和關聯(lián)預測（2*2）技術。圖6是向量機模擬器，可以動態(tài)展示向量機的執(zhí)行過程以及沖突檢測，并可以對向量機中的鏈接技術（Chaining）做對比分析教學。

三、應用示例

本節(jié)以圖3所示的簡單流水線模擬器為例，分析一下該模擬器的使用。在圖1所示的模擬器主頁頁面選擇Pipelining（w & w/o forwarding），便進入到該流水線模擬器界面。先在界面左上角的指令執(zhí)行周期設置窗口中設置長周期指令的執(zhí)行時間（該執(zhí)行時間是5段流水線中EX段的時間），比如分別設置浮點加減、浮點乘法、浮點除法和整數除法的執(zhí)行時間為2、4、6和2個時鐘周期，如圖7所示。除了這4類指令之外，其他所有指令的執(zhí)行時間都默認是1個周期。

通過右上角的添加窗口添加幾條要執(zhí)行的指令，比如，依次添加以下4條指令，添加后的結果如圖8所示，分別為浮點加載指令、浮點加法指令、浮點加法指令和浮點存儲指令。指令添加完后，潛在的沖突窗口就給出了這幾條指令之間的潛在的沖突分析，如圖9所示。指令0和1之間存在關于寄存器F1的RAW寫后讀沖突（因為指令0寫F1，指令1讀F1），指令1和2之間存在關于寄存器F3的RAW沖突（因為指令1寫F3，指令2讀F3），指令1和2之間存在關于浮點加減運算部件的結構沖突（因為兩條指令會同時用該算部件），指令2和3之間存在關于寄存器F4的RAW沖突（因為指令2寫F4，指令3讀F4）。

然后，不采用定向技術運行這段代碼（不勾選Data Forwarding），可以單步執(zhí)行，觀察流水線每步的操作，也可連續(xù)運行。圖10給出的是運行結束后的時鐘周期圖，紅色S標記的是停頓周期。從中看出，指令1要停頓2拍等待指令0完成寫F1的操作;指令2要停頓3拍（第7—9拍）等待指令1用完浮點加法部件并完成寫F3的操作（注：指令2在第4—5拍的停頓是指令1的停頓引發(fā)的，不屬于新增停頓）;指令3也要停頓3拍等指令2完成寫F4的操作。這樣一共停頓8拍，總共用時16拍。

隨后，采用定向技術再次運行這段代碼（這次勾選Data Forwarding）。圖11給出的是運行結束后的時鐘周期圖。紅線給出的是定向連接線。由于指令0在MEM段后得到要往F1里寫的數據，指令1在執(zhí)行段才真正用到F1里的數據，直接從指令0的MEM段后的流水寄存器定向數據到浮點運算部件的輸入端給指令1使用即可，這樣的話指令1只需停頓1拍（第4拍）;指令1和指令2之間的定向通路是從浮點運算部件之后的流水寄存器直接送數據到浮點運算部件的輸入端;指令2和指令3之間的定向通路是從MEM段的輸出端直接到MEM段的輸入端。采用定向技術后，代碼運行中一共停頓3拍（分別是第4、第6和第8拍），總共用時11拍。和不用定向技術相比，性能大幅提升。

四、結束語

基于Web整合設計的這套模擬器功能比較全面，覆蓋了不少比較深入的知識點，不僅能適應本科生的教學，還可作為研究生和教師科研的輔助手段。而且這套平臺的訪問非常方便，不限操作系統(tǒng)，不限平臺，可以在桌面電腦上訪問，也可手機和平板上訪問，大大方便了學生的學習和實驗，在使用中獲得了比較好的評價和反饋。

參考文獻：

[1]B. Nikolic，Z. Radivojevic. A Survey and Evaluation of Simulators Suitable for Teaching Courses in Computer Architecture and Organization. IEEE TRANSACTIONS ON EDUCATION，VOL. 52（4）：449-458，Nov. 2009.

[2]R. Hasan，S. Mahmood. Survey and Evaluation of Simulators Suitable for Teaching for Computer Architecture and Organization. UKACC International Conference on Control 2012，1043-1045，Sep. 2012.

[3]張晨曦，李江峰，劉依，沈立.計算機系統(tǒng)結構實踐教程[M].第2版.北京：清華大學出版社，2014.

Web-based Simulators for Teaching Computer Architecture

DU Zhen-jun，SANG Guo-ming

（School of Information Science and Technology，Dalian Maritime University，Dalian，Liaoning 116026，China）

Abstract：There exist difficulties and challenges in teaching computer architecture，one of the main courses for undergraduates in computer major.After analyzing similar simulators at home and abroad，a suite of web-based computer-architecture simulators are integrated. They cover knowledge points in depth and are easy to use，playing a helpful role in teaching practice.

Key words：Computer architecture;Undergraduate teaching;Simulators