淺析計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件的模擬技術(shù)

夏春梅++楊薇

摘要：隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，以及現(xiàn)代生活水平的提高，人們對(duì)計(jì)算機(jī)體系的性能要求也越來(lái)越高。而計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)也日益興起，其對(duì)計(jì)算機(jī)的軟件開(kāi)發(fā)有著重要的作用。該文通過(guò)闡述計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)的概念，以及其軟件模擬的關(guān)鍵技術(shù)，在分析計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)研發(fā)過(guò)程中所遇到問(wèn)題的同時(shí)，也提出了解決問(wèn)題的有效策略。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)；軟件模擬技術(shù)；發(fā)展；措施

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）32-0260-02

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)已經(jīng)成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)及信息處理的核心工具。體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)對(duì)于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)而言是必不可少的技術(shù)手段，通過(guò)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)能夠不但最大程度的降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)的費(fèi)用以及時(shí)間，而且也極大提高了設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量。計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)說(shuō)白了就是通過(guò)現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件，對(duì)系統(tǒng)硬件在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的使用情況以及性能進(jìn)行模擬，由于計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)具有一定的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和成本優(yōu)勢(shì)，因此，其目前已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中必不可少的手段。

1 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)的發(fā)展過(guò)程及其現(xiàn)狀

計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)是在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部的中央處理單元的變化下產(chǎn)生的。二十世紀(jì)末，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是利用數(shù)據(jù)信息驅(qū)動(dòng)技術(shù)來(lái)收集計(jì)算機(jī)運(yùn)作的數(shù)據(jù)信息，并完成執(zhí)行程序指令。另外，數(shù)據(jù)信息驅(qū)動(dòng)技術(shù)深入把握計(jì)算機(jī)的運(yùn)作數(shù)據(jù)信息，并對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部中央處理單元的組成結(jié)構(gòu)以及其具備的特點(diǎn)做詳細(xì)的分析研究，并堅(jiān)持其所存在的漏洞問(wèn)題。因此，數(shù)據(jù)信息驅(qū)動(dòng)技術(shù)在當(dāng)時(shí)也被稱為基于執(zhí)行程序指令而形成的一種靜態(tài)模擬技術(shù)[1]。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，因此，在計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)信息驅(qū)動(dòng)技術(shù)研發(fā)的基礎(chǔ)上，也就出現(xiàn)了能夠分析計(jì)算機(jī)性能技術(shù)。分析計(jì)算機(jī)性能技術(shù)不僅提高了計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)質(zhì)量，而且也實(shí)現(xiàn)了降低計(jì)算機(jī)技術(shù)的研發(fā)成本以及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的失敗概率。此后，分析計(jì)算機(jī)性能技術(shù)廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。但由于其不能夠準(zhǔn)確地反映出計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部的一些細(xì)小問(wèn)題，且適用范圍較小，因此，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員為了提高了精確程度，擴(kuò)大適用范圍，于是對(duì)該技術(shù)再次進(jìn)行改進(jìn)完善，于是計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)就在這個(gè)背景下誕生了。

據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)表明，計(jì)算機(jī)中央處理器目前的研究和設(shè)計(jì)過(guò)程中，有百分之六十的科研經(jīng)費(fèi)都被投入軟件模擬和性能評(píng)估兩方面。從理論上講，軟件和硬件相比，前者的開(kāi)發(fā)成本及周期要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于后者的開(kāi)發(fā)成本和周期，并且軟件開(kāi)發(fā)比硬件開(kāi)發(fā)要簡(jiǎn)單。從這個(gè)角度來(lái)說(shuō)，靈活性強(qiáng)以及成本低是計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)得到推廣使用的主要原因。然而，由于計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)的研發(fā)的技術(shù)性要求極強(qiáng)，所以其也面臨著眾多技術(shù)難題，這些難題對(duì)其發(fā)展都起到了阻礙作用[2]。

2 與計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)相關(guān)的一些概念

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，現(xiàn)已逐漸建立較為成型的技術(shù)規(guī)范，在計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)發(fā)展的過(guò)程中，有不少具有創(chuàng)造性的模擬技術(shù)出現(xiàn)，而且其相關(guān)概念也在完善中，但是部分概念由于字面意思非常相近，所以人們都習(xí)慣性的將其畫(huà)上等號(hào)，例如仿真和模擬兩個(gè)概念，通過(guò)以下定義區(qū)分開(kāi)模擬和仿真兩個(gè)概念。

1）計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)仿真

計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)仿真是指通過(guò)計(jì)算機(jī)硬件或軟件的方式，對(duì)計(jì)算機(jī)模擬器產(chǎn)生的某種模擬結(jié)果進(jìn)行模仿。計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)仿真的主要目的是在另一個(gè)計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)一個(gè)已知的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)功能，使另一個(gè)計(jì)算機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)與原計(jì)算機(jī)系統(tǒng)一樣的計(jì)算結(jié)果，而對(duì)于計(jì)算過(guò)程是不太重視的。

2）計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)模擬

計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)模擬則是根據(jù)硬件或軟件的工作狀態(tài)來(lái)模擬計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的計(jì)算過(guò)程，其主要目的是為了開(kāi)發(fā)和預(yù)測(cè)計(jì)算機(jī)未來(lái)的功能和性能，因?yàn)槭茄芯坑?jì)算機(jī)的計(jì)算過(guò)程，所以對(duì)于計(jì)算結(jié)果也不太重視。

隨著計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)模擬技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的仿真漸漸屬于計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)模擬，因?yàn)轶w系結(jié)構(gòu)模擬要先通過(guò)正確的輸出結(jié)果來(lái)預(yù)測(cè)模擬方式是否可行，其次在研究計(jì)算的過(guò)程。例如在計(jì)算體系結(jié)構(gòu)模擬過(guò)程中，模擬器運(yùn)行是按照一個(gè)程序進(jìn)行的，而承載模擬器的主機(jī)則是按照領(lǐng)一套程序進(jìn)行的，這樣就會(huì)造成指令沖突。因此必須要將模擬器上的運(yùn)行指令實(shí)先翻譯為主機(jī)上的程序指令，那么能實(shí)現(xiàn)由模擬器指令轉(zhuǎn)化為主機(jī)運(yùn)行指令的工具稱為指令集仿真器。從這個(gè)角度來(lái)說(shuō)，計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)仿真已經(jīng)成為了計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)模擬的一部分，是計(jì)算機(jī)體系模擬的基礎(chǔ)條件。

3 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬的分類

3.1 體系結(jié)構(gòu)模擬器分類的分類

1）計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)模擬器的分類標(biāo)準(zhǔn)多種多樣，根據(jù)處理器的實(shí)際數(shù)量，計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)可以分為單個(gè)處理器和多個(gè)處理器系統(tǒng)模擬兩種。單個(gè)處理器是利用一個(gè)處理系統(tǒng)模擬器來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)軟件模擬工作，而多處理器是由多個(gè)處理器共同工作，從而實(shí)現(xiàn)內(nèi)存資源共享。根據(jù)模擬目標(biāo)的差異，模擬器又可分為功能模擬、耗能模擬、性能模擬及發(fā)熱模擬技術(shù)[3]。其中性能模擬與其他三個(gè)模擬相比，其發(fā)展的最迅速。但是隨著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的快速發(fā)展，人們?cè)絹?lái)越關(guān)注的是計(jì)算機(jī)的耗能問(wèn)題，因此，耗能模擬在不久將會(huì)成為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。另外，模擬器還可以根據(jù)開(kāi)發(fā)模式進(jìn)行劃分，可分為串行結(jié)構(gòu)和并行結(jié)構(gòu)，其中串行結(jié)構(gòu)是利用C語(yǔ)言的編程語(yǔ)言執(zhí)行編程指令的，能夠?qū)崿F(xiàn)直接描述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

2）跟蹤驅(qū)動(dòng)模擬技術(shù)。跟蹤驅(qū)動(dòng)模擬技術(shù)是頁(yè)面置換計(jì)算方法中最早應(yīng)用的一種緩存管理算法，在有效的模擬跟蹤驅(qū)動(dòng)的同時(shí)，也會(huì)將指令程序執(zhí)行的每條數(shù)據(jù)當(dāng)做模擬器輸入其中，從而模擬某個(gè)體系結(jié)構(gòu)處理器的功能及其實(shí)際性能。

3.2 計(jì)算機(jī)執(zhí)行驅(qū)動(dòng)模擬

計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)研究學(xué)者對(duì)計(jì)算機(jī)執(zhí)行驅(qū)動(dòng)模擬一直都持有兩種觀點(diǎn)，其中有一部分學(xué)者認(rèn)為程序的所有指令都是由可執(zhí)行指令發(fā)出的。執(zhí)行驅(qū)動(dòng)模擬是將使用程序的執(zhí)行命令作為模擬器的指令輸入，模擬器的執(zhí)行指令的輸入與程序執(zhí)行驅(qū)動(dòng)程序有關(guān)，而與動(dòng)態(tài)指令無(wú)關(guān)。而另一種觀點(diǎn)則認(rèn)為計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)模擬器不模擬任何一個(gè)應(yīng)用程序的程序命令，模擬器的執(zhí)行驅(qū)動(dòng)代碼源于承載模擬器的主機(jī)，而系統(tǒng)模擬器只負(fù)責(zé)運(yùn)行其中的一部分指令。但是這種處理方式有一個(gè)弊端，就是承載模擬器的主機(jī)和模擬器中的指令必須一致才能夠?qū)崿F(xiàn)模擬工作。

4 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬在研發(fā)中存在的問(wèn)題

計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)雖然具有一定的優(yōu)勢(shì)，但也有一定的技術(shù)難題制約著其發(fā)展，例如計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬器的開(kāi)發(fā)難度大、軟件模擬器的處理精度較差等。

4.1 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬器的研發(fā)具有一定的難度

眾所周知，計(jì)算機(jī)信息處理系統(tǒng)及其復(fù)雜，如果僅通過(guò)軟件模擬器就想體現(xiàn)其在運(yùn)行過(guò)程中，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)部件的工作狀態(tài)，幾乎是不可能的。將復(fù)雜化的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)單化處理最有效的方式就是對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行分層處理。而體系結(jié)構(gòu)就是在這個(gè)基礎(chǔ)上簡(jiǎn)化了系統(tǒng)，但經(jīng)過(guò)分層處理之后的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，對(duì)于人們研究來(lái)說(shuō)還是很復(fù)雜。另外，當(dāng)前計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的編程語(yǔ)言都是采用串行結(jié)構(gòu)的C語(yǔ)言，利用C語(yǔ)言對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部元件進(jìn)行模擬，不但耗時(shí)嚴(yán)重，而且如果中間一旦出現(xiàn)失誤，那么整個(gè)編程語(yǔ)句將無(wú)法運(yùn)行[4]。

4.2 模擬器的處理精度較差

軟件模擬器的運(yùn)行精度較差主要是因?yàn)槟M器在研發(fā)過(guò)程中的設(shè)計(jì)不合理，或者是模擬器沒(méi)有應(yīng)用合理的策略。軟件模擬器的開(kāi)發(fā)主要經(jīng)歷三個(gè)步驟，首先是模擬器在理論上的研究及設(shè)計(jì)思路，其次是設(shè)計(jì)符合計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的模擬器，最后則是實(shí)現(xiàn)模擬器的正常功能。軟件在研發(fā)的過(guò)程中如果出現(xiàn)失誤，對(duì)于第一個(gè)步驟而言，很有可能出現(xiàn)不能夠正確分析計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的各種模擬需求。對(duì)于第二個(gè)步驟而言，所造成的設(shè)計(jì)失誤極有可能就是不能夠正切構(gòu)建計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)部，導(dǎo)致模擬器的錯(cuò)誤設(shè)計(jì)。另外，模擬器的運(yùn)行時(shí)間也會(huì)影響模擬器的使用精度，運(yùn)行時(shí)間越長(zhǎng)，則使用精度就越差?？偠灾?，計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬器的設(shè)計(jì)之所以對(duì)軟件模擬技術(shù)很重要，則是因?yàn)槠溥€是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重要內(nèi)容。甚至可以說(shuō)，軟件模擬器的質(zhì)量決定者計(jì)算機(jī)處理器的設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率。

5 解決計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)研發(fā)問(wèn)題的措施

5.1 降低計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能測(cè)試程序中的輸入?yún)?shù)

為了縮短對(duì)模擬器的性能測(cè)試的程序運(yùn)行時(shí)間，首先要在不改變標(biāo)準(zhǔn)化的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能測(cè)試中的運(yùn)行指令的前提下，對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能檢測(cè)程序中的輸入?yún)?shù)進(jìn)行科學(xué)合理的更正，這種方式不僅能夠利用少量的輸入?yún)?shù)使模擬器正常運(yùn)行，而且還保證了模擬器運(yùn)行結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確代表計(jì)算機(jī)系統(tǒng)各個(gè)程序指令的模擬運(yùn)作結(jié)果，不僅提升了模擬器運(yùn)行的精度，而且還有效地降低了模擬器在運(yùn)行性能檢測(cè)程序過(guò)程中的運(yùn)作時(shí)間[5]。

5.2 減少運(yùn)作模擬程序指令數(shù)量

在對(duì)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件的性能進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)性能檢測(cè)程序的過(guò)程中，要科學(xué)合理的采用正確的模擬程序指令進(jìn)行操作，并用這些指令運(yùn)作的結(jié)果代替原有的運(yùn)作結(jié)果。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，準(zhǔn)確的模擬程序指令是提高模擬運(yùn)作速度和精度的最佳方法。通常情況下，可利用統(tǒng)計(jì)方式抽樣選擇運(yùn)行程序指令和直接性截獲連續(xù)程序指令這兩種方式選擇運(yùn)作模擬程序指令。其中，直接性截獲連續(xù)程序指令的操作過(guò)程與統(tǒng)計(jì)方式抽樣選擇運(yùn)行的程序指令方式相比較為容易，但缺點(diǎn)就是精度低，而統(tǒng)計(jì)方式抽樣選擇運(yùn)行程序指令雖然操作過(guò)程較為復(fù)雜，但其模擬精度高。

6 總結(jié)

隨著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)更新頻率的加快，計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)的重要性日益凸顯，從上述內(nèi)容可得知，計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)的工作內(nèi)容主要是針對(duì)計(jì)算機(jī)中央處理器以及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。模擬技術(shù)水平在很大程度上影響著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)效果和計(jì)算機(jī)處理器的制作水平。其次，由于計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)具有一定的優(yōu)勢(shì)，所以其注定將成為信息時(shí)代人們關(guān)注和研究的重點(diǎn)問(wèn)題。而計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)也必將會(huì)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的重點(diǎn)技術(shù)。

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