計算機體系結構軟件模擬技術

王勉+范志勤

摘要：隨著時代的進步與經濟的高速發展，人們的生活水平也不斷提高。計算機在人們的生活中也越來越普及，人們對于計算機的性能要求也在逐步提高。而計算機體系結構軟件模擬技術的發展，在計算機的軟件開發中起著重要的作用。

關鍵詞：計算機體系；結構軟件；模擬技術

中圖分類號：TP303 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）11-0229-01

1 計算機體系結構的介紹

1.1 計算機體系結構的簡單定義

那些對于程序員可見的系統屬性，例如設計思想與體系結構等，就是計算機體系結構。在計算機系統上出現的問題就是依靠計算機體系結構解決的。將一些系統的元素組合在一起，這些元素相互配合處理信息從而達到目標，就構成了計算機的體系結構。而圖靈機理論是計算機體系構成的基礎，同時計算機體系結構也是屬于馮.諾依曼體系結構的一種。而在計算機體系結構中組合的系統元素一般包括有計算機的硬件、計算機的軟件、數據庫、人員、文檔和過程。

1.2 計算機系統的發展階段

從60年代計算機開始出現到現在已經過了一段時間的發展。隨著時代不斷的進步，人們對計算機需求也不斷提高，所以計算機也在不斷的發展，計算機的發展可以分為四個不同的階段。

1.2.1 第一階段

60年代中期，是計算機系統發展的第一階段，在這一階段，硬件的發展比軟件發展要更加迅速一些。硬件的使用已經比較普遍，但是軟件的發展還沒有達到一定的水平，軟件開發也沒有一個系統整體的規劃。對程序編寫的規模也相當小，人們對于軟件設計也沒有一個清晰的概念。

1.2.2 第二階段

從60年代中期到70年代中期的這一段時間里，是計算機系統發展的第二階段。特別是在計算機技術方面有了很大的進步，提出了一個新的概念，即人機交互，使得計算機的應用到達了一個新的層次，也使得軟件與硬件的配合更加好。

1.2.3 第三階段

20世紀70年代的中期到80年代中期，這十年的時間是計算機發展的第三階段。在這十年中計算機技術又得到了更大的發展，不過隨著技術的進步，用戶對于計算機的要求也越來越高。局域網絡、數據通信等的發展都對計算機系統提出了更高的要求。

1.2.4 第四階段

從80年代中到現在，是計算機系統發展的第四階段，人們逐漸開始重視軟件和硬件的配合使用效果。計算機體系結構也已經從以前比較集中的主機環境，變為了一種較分散的服務器環境。信息網絡的全球化也使得人們在交流與資源共享方面更加迅速。軟件開發也逐漸發展，不斷出現新的軟件開發方式來取代傳統的軟件開發方法，更加系統的軟件開發方法逐漸形成[1]。

2 計算機結構軟件模擬技術

使用軟件的方式來模擬計算機系統的硬件的運行，從而得出硬件系統在功能上的特性，叫做計算機體系結構軟件模擬技術。在體系結構設計中，利用體系結構軟件模擬技術對軟件設計進行評估已經成為了一個必不可少的環節。

2.1 計算機體系結構軟件模擬出現的問題

雖然我們應用計算機體系結構軟件模擬技術，可以在短時間內設計出許多體系結構設計方案，然后再在其中挑選出最好的，這樣就節省很多時間。但是在運用這種模擬技術的同時，也有著三個方面的問題。

2.1.1 計算機體系結構軟件模擬器的開發難度大

計算機系統本身就非常復雜，所以使用軟件來模擬每一個行為特征是不可能的，所以計算機體系結構就是對于計算機系統結構層次的簡化，但是簡化之后的結構層次仍然是非常復雜的，而且要開發出軟件模擬體系，對于開發者也十分困難。

2.1.2 計算機體系軟件模擬運行時間長

模擬器在運行的過程當中，由于計算機系統的復雜性，在模擬評測的過程中需要耗費很長的時間，而且速度也十分緩慢。而且根據模擬目的的不同，模擬運行的時間差距也非常大，比如有的只需要幾個月，但有的甚至需要幾十年。

2.1.3 計算機體系結構軟件模擬運行結果的精度差

在模擬的開發過程中，本身就存在著許多錯誤，而設計人員不合理的決策，也會使得結果精度差。在模擬器開發的三個步驟中，每一個步驟中都有可能出現錯誤。

2.2 計算機體系結構模擬的分類

計算機經過這么長時間的發展，計算機體系結構軟件模擬技術的研究也有了很大的發展，使得模擬技術更加多樣化。下面我們就將介紹計算機體系結構模擬器的幾種主要分類方法。我們可以根據處理器數目的不同，分為單處理器系統模擬和多處理器系統模擬。而我們根據模擬目標的不同，可以分為功能模擬、性能模擬等。而且隨著人們對于計算機的要求越來越高，計算機系統也越來越復雜。人們對于系統能耗與發熱問題的關注越來越高。而我們依據模擬器開發和執行的模式不同，可以將模擬器分為串行結構模擬器和并行結構模擬器。而在模擬器模擬過程中，也可根據執行內核數量的不同，將模擬器分為單核系統模擬器和多核系統模擬器[2]。

2.3 計算機體系結構軟件模擬的兩種主要分類

2.3.1 跟蹤驅動模擬

在早期的頁面換置算法中應用的就是跟蹤驅動模擬技術，其過程是將每一條指令執行產生的信息輸入，從而模擬出這種體系結構的功能，這就是跟蹤驅動模擬。它也存在著兩個問題，一是模擬運行的時間非常長。因為它要將在執行過程中產生的所有信息都輸入，對于儲存設備的容量要求非常高。二是在跟蹤信息的時候，不能夠真實準確的處理指令，所以在模擬過程中會影響結果的精確性。

2.3.2 執行驅動模擬

執行驅動模擬與跟蹤驅動模擬最大的不同，就是其以程序的執行指令作為模擬器的輸入，不使用程序跟蹤狀態信息作為輸入。與跟蹤模擬技術相比執行驅動模擬所得到的結果更加真實，但是執行驅動模擬的成本卻更加高，而且執行的速度更加慢，這就使得模擬時間非常長。

3 結語

隨著科技的發展，計算機體系發展的第四階段，計算機也深入到了人們生活的各方各面。人們對于計算機的需求更加復雜，所以對于軟件的開發與更新速度有很高的要求。而計算機體系結構模擬器是計算機體系結構發展的一個重要工具，應該加緊開發出更加符合現代科技需求的計算機體系結構模擬器，大力投入讓計算機體系結構模擬技術更加完備。

參考文獻

[1]喻之斌.計算機體系結構軟件模擬技術[J].2008（23）：129-131.

[2]沈緒榜，劉澤響，王茹.計算機體系結構的統一模型[J].計算機學報，2007，（05）：67-69.

Abstract：With the progress of the times and the rapid development of the economy， people's living standard is also rising. The computer is more and more popular in people's life， and the performance requirements of the computer are gradually improving. The development of computer architecture software simulation technology plays an important role in the development of computer software.

Key Words：computer system； Structural software； simulation techniqueendprint