計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)

李蕭瑋

摘要

隨著社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，計算機(jī)技術(shù)水平也在不斷的提高，促使著計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)日趨成熟，對計算機(jī)軟件開發(fā)有著非常重要的意義。基于此，本文通過對計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行分析，從降低模擬器負(fù)荷、控制指令數(shù)量、應(yīng)用任務(wù)映射等方面入手，詳細(xì)的論述了計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)的優(yōu)化措施。

【關(guān)鍵詞】計算機(jī)體系 結(jié)構(gòu)軟件 模擬技術(shù)

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，計算機(jī)逐漸成為處理信息和設(shè)計系統(tǒng)的核心工具。模擬技術(shù)在計算機(jī)體系中占據(jù)著非常重要的地位，是其不可或缺的技術(shù)手段。由于計算機(jī)體系非常龐大，導(dǎo)致其生產(chǎn)周期不斷被拉長，無論是在效率上還是在成本上，都沒有明顯的優(yōu)勢，計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)的出現(xiàn)，不僅能夠大幅度降低軟件研發(fā)成本，同時也提高了開發(fā)效率和生產(chǎn)效率。

1 計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)難點(diǎn)

1.1 開發(fā)難度較大

隨著計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，計算機(jī)功能變得越來越強(qiáng)大，適用于各行各業(yè)，并且能夠攻克很多難題。但是，隨著功能的增強(qiáng)，其體系結(jié)構(gòu)逐漸變得越來越復(fù)雜，開發(fā)與設(shè)計人員主要應(yīng)用計算機(jī)體系層次簡化功能來簡化計算機(jī)體系的復(fù)雜度，但是層次簡化功能又會大大增加開發(fā)模擬器的難度。除此之外，開發(fā)人員在編程過程中，主要應(yīng)用的C++或者是C語言等，這種語言存在誤差大、處理時間長等問題。同時開發(fā)人員在對模擬器進(jìn)行開發(fā)時，經(jīng)常會以調(diào)整現(xiàn)有模擬器的方法達(dá)到目的，這種二次開發(fā)，不但影響著開發(fā)效率，還增加了開發(fā)成本。

1.2 模擬器運(yùn)行時間過長

在運(yùn)行模擬器時，要求開發(fā)人員在時鐘周期下時刻記錄處理器狀態(tài)和動態(tài)指令在運(yùn)行時輸出的結(jié)果。由于模擬器運(yùn)行時，動態(tài)指令運(yùn)行會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)信息，使得模擬速度受到很大的影響。如SMARTS模擬器的運(yùn)行速度大約為9MIPS，但是與主機(jī)硬件相比，其運(yùn)行速度相差大約4個數(shù)量級。雖然SPEC組織針對這類問題進(jìn)行改善，并且研發(fā)了評估處理器性能的程序包，一定程度上提高了模擬技術(shù)的可靠性和真實(shí)性，但是這個程序包卻具有耗費(fèi)時間長和模擬速度緩慢等問題。

1.3 模擬器運(yùn)行精度不佳

在對模擬其進(jìn)行開發(fā)過程中，通過確定體系結(jié)構(gòu)中相關(guān)信息，然后在已經(jīng)存在的結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)和設(shè)計模擬器。在這個過程中，開發(fā)模擬的三個主要環(huán)節(jié)都可能存在誤差問題。開發(fā)人員在獲取相關(guān)信息過程中，如果出現(xiàn)誤差會使其無法準(zhǔn)確判斷模擬器的需求。在獲取準(zhǔn)確信息之后，如果不重視計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中小模塊內(nèi)容，同樣會出現(xiàn)誤差，直接影響著模擬器的設(shè)計成果。

2 計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)的優(yōu)化措施

2.1 降低模擬器負(fù)荷

降低模擬器負(fù)荷，對模擬技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化主要從以下幾方面進(jìn)行：

2.1.1 測試過程中，減少參數(shù)輸入量

在一個性能標(biāo)準(zhǔn)的測試環(huán)境中，可以建立多套長期固定的參數(shù)測試數(shù)集，如參考輸入測試數(shù)集、訓(xùn)練輸入測試數(shù)集以及測試輸入?yún)?shù)數(shù)集等。這些數(shù)集的建立，可減少參數(shù)輸入數(shù)量，從而降低模擬器負(fù)荷，使模擬器性能變得更加精準(zhǔn)，有效的解決了模擬技術(shù)精準(zhǔn)度不高的問題。

2.1.2 集中測試

在利用程序包測試過程中，包含的測試程序是非常多的，如SPEC CPU2000中的點(diǎn)數(shù)測試程序和證書測試程序便有20多個，這些程序在某種程度上具有很大的相關(guān)性，因此，開發(fā)人員要尋找能夠代表各個程序的因素，然后集中對這個因素進(jìn)行測試，這樣便可以有效的降低模擬器的負(fù)荷。

2.1.3 處理測試程序中部分指令

這個方法主要是模擬其中一小部分指令，以期能夠優(yōu)化模擬環(huán)境和縮短模擬時間。模擬指令有兩種方法，其一是對一段連續(xù)指令進(jìn)行截取;其二是以抽樣統(tǒng)計方法來選取指令。無論哪種方法都能夠有效的降低模擬器負(fù)荷，提高數(shù)據(jù)模擬的準(zhǔn)確性。

2.2 控制指令數(shù)量

在優(yōu)化模擬技術(shù)過程中，控制指令數(shù)量主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

2.2.1 直接選取

直接選取是指以全部指令為一個單位，在其中隨意選取，然后將隨意選取的指令放置在模擬器中。選取方式為：首先選擇M百萬條指令，其次選取L百萬條指令，并將這些指令預(yù)熱執(zhí)行，再選擇z百萬條指令，以此獲得最終的執(zhí)行結(jié)果，這種方式作用是在指令完成執(zhí)行操作后，與模擬器向?qū)?yīng)的信息不會全部消失，為后續(xù)模擬工作提供保障，從而提高模擬效率。

2.2.2 利用統(tǒng)計學(xué)方式對指令進(jìn)行選取

選取方法為：

（1）代表性采樣，例如：利用Simpint進(jìn)行模擬時，首先，要對測試程序進(jìn)行分析，其次選取一組有代表性的模擬點(diǎn)，分配模擬點(diǎn)的權(quán)重，從而使模擬結(jié)果更加精準(zhǔn)。

（2）周期采樣，首先將測試程序啟動，在動態(tài)狀態(tài)下，以一個周期為基礎(chǔ)，選取指令，這樣可以有效控制指令數(shù)量，從而提高模擬精準(zhǔn)度。

2.3 應(yīng)用任務(wù)映射

應(yīng)用并行模擬器處理環(huán)境映射時，主要是指定子任務(wù)傳輸?shù)讲⑿羞M(jìn)程的過程。在當(dāng)前并行處理環(huán)境中，包含和涉及到的任務(wù)映射策略非常多，通常運(yùn)用的有兩種：

（1）映射策略可以得到最優(yōu)解;

（2）可以得到相似值。

為了優(yōu)化體系結(jié)構(gòu)模擬技術(shù)，使模擬器模擬過程更加精準(zhǔn)，需要以排隊(duì)論、圖論和教學(xué)規(guī)劃為基礎(chǔ)進(jìn)行計算，得出模擬數(shù)值。在此期間，為了使數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度和耗費(fèi)時間之間的沖突得到有效緩解，學(xué)術(shù)界利用啟發(fā)式方法和最優(yōu)算法對上述兩種方法進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。這樣可以使任務(wù)映射方式簡化，從而提升模擬數(shù)據(jù)的精確度。

3 結(jié)論

綜上所述，提升計算機(jī)體系機(jī)構(gòu)軟件模擬技術(shù)的開發(fā)效率，并將其推廣應(yīng)用，已經(jīng)成為新軟件開發(fā)的主要手段。經(jīng)過上文分析可得，現(xiàn)階段，在應(yīng)用模擬技術(shù)對軟件進(jìn)行模擬運(yùn)時，仍然存在一些技術(shù)難點(diǎn)難以解決。基于技術(shù)難點(diǎn)，應(yīng)該從模擬器中的指令、負(fù)荷、映射等方面入手，提高模擬運(yùn)行的精確度。因此，只有不斷完善計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)，才能開發(fā)出更高價值的計算機(jī)軟件。

參考文獻(xiàn)

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