計算機體系結構軟件模擬技術研究

李章平

（廣東理工學院，廣東 肇慶 526100）

隨著科學技術的不斷發展，計算機系統的功能變得越來越豐富，處理器的操作也趨于復雜。在計算機運行中，計算機體系結構軟件模擬技術的應用，是基于硬件在系統中所處的部位，模擬其功能的運行，以及實際運行中的性能，因而計算機體系結構軟件模擬技術儼然轉變成計算機系統中必不可少的一環。倘若計算機系統處理器或模擬技術表現出不適應性，計算機體系結構軟件模擬技術不僅有助于減少計算機軟件系統設計開發成本，還可縮減計算機設計開發周期。在開展軟件開發時，因為計算機體系在軟件模擬器開發中依舊面臨不小的困難，由此使得相關開發程序十分負載，尤其是開發軟件的運行化測試要消耗大量的時間等，這便對計算機體系結構軟件模擬技術帶來極大的影響，進而影響計算機系統應用的有效性。由此可見，對計算機體系結構軟件模擬技術進行探索研究，具有十分重要的理論價值和實踐意義。

一、計算機體系結構軟件模擬及其類別

（一）計算機體系結構軟件模擬

計算機體系結構軟件模擬，主要是指依托硬件或軟件原型的方式對相關計算機系統體系結構予以模擬，進一步對計算機系統開展計算的過程。計算機體系結構軟件模擬旨在對計算機體系結構未來的性能或功能予以分析、評估，并且著重于對計算機的計算任務執行過程予以研究。

（二）計算機體系結構軟件模擬分類

對于計算機體系結構軟件模擬的分類，一是依據處理器的具體數量，對應的性能模擬可劃分成單個、多個處理器系統模擬。依據模擬目標相互間的具區別，可劃分成性能、功能、發熱及能耗模擬技術。二是跟蹤驅動模擬技術，作為頁面置換計算方法中較早推廣的一種緩存管理算法，跟蹤驅動模擬技術可對跟蹤驅動開展有效模擬，并且對指令程序執行的各項數據均將其作為模擬器來傳輸其中，進一步對相關體系結構處理器的性能、功能予以模擬。

二、計算機體系結構軟件模擬技術面臨的問題

（一）計算機體系結構軟件模擬器開發難度偏大

因為計算機工作系統存在一定的復雜性，幾乎無法借助計算機軟件來對門電路或晶體管進行模擬。就層次角度分析而言，計算機系統復雜程序簡化抽象程序是較為常用的一種方法，計算機體系結構不斷向簡單化方向發展，就結構層次角度而言，計算機系統仍然十分復雜，由此使得計算機體系結構軟件模擬器開發難度亦會不斷提升。從現階段發展情況而言，計算機體系結構軟件模擬器開發依舊采用C語言或C++編程語言，依托語言串行結構化的特定機制來開展計算機系統部件及功能模擬工作，但這一過程不僅要投入大量的時間，還極易引發各種錯誤。比如，從零起步進行開發存在極大的難度，由此要求基于計算機體系結構開展模擬器開發工作，以此可切實滿足計算機體系結構軟件模擬技術開發需求，然而實際開發中依舊處在模擬器改造及模擬器二次開發階段。就事實角度分析而言，現有模擬器改造或模擬器二次開發面臨極大的難度，加之人們通常抱有懷疑態度，會對模擬器進行反復驗證，以期提升模擬器體系結構評估可信度，然而卻在無形中進一步加大了計算機體系結構軟件模擬器的開發難度。

（二）計算機體系結構軟件模擬器運行精度不足

在開展計算機體系結構軟件模擬器開發時，可從目標體系結構角度將其分為理解程序、設計程序以及實現程序，然而在目標體系結構依舊面臨著極大的問題。首先，在理解程序中，要求對計算機體系結構軟件模擬器需求開展有效分析，這是對軟件進行開發時必須落實好的一項工作。其次，在設計程序中，雖然樹立有明確的計算機體系結構目標，然而往往會因為在對計算機體系結構進行設計時忽視某部分細節而導致錯誤的引發，對模擬器編碼工作造成不利影響。最后，在實現程序中，因為計算機體系結構軟件模擬器需要花費很長的時間進行模擬，從而使得開發人員不得不借助部分指令來取代測試程序中的整體效果，以此將會造成模擬器運行精度受到極大影響。

（三）模擬器在預測新設計時運行時間偏長

模擬器存在于宿主主機上的同時，也屬于一個運行程序。在對全面計算機系統進行模擬過程中，全面運行過程均應當在時鐘周期的層級上記錄動態指令，比如寄存器狀態燈、分支預測期狀態等，這些環節涉及海量的數據信息，該部分數據信息的存在會不利于詳細的模擬運行速度。在這過程中，SMAETS軟件模擬器作為一個性能可靠的模擬器，整個速度可達到9MIPS，然而相較于宿主主機的硬件，整個運行過程速度要低于約4個數量級。加之伴隨如今處理器性能的不斷提升，新的標準程序包發布后也提出了全新的處理器性能評估方案，以此不僅為實時監測提供了諸多便利，并且還可從其他多個方面來全面評定處理器性能。為了提升模擬結果的準確性，即可在運行時引入性能測試程序包。相比硬件設施而言，模擬器的慢速度還會附著一個高負載的測試程序，以此也會很大程度到模擬器的運行時間。又由于每次模擬的目的不盡相同，盡管使用輸入參數，運行時間也會不盡相同，或是幾年，或是幾十年。

三、計算機體系結構軟件模擬技術問題的應對對策

（一）合理控制運行參數

在計算機系統運行時，針對模擬器運行時間較長、效果不佳的問題，開發人員可采取下述應對對策：一是調整程序測試數量。以系統測試為例，系統測試作為一個針對全面系統開展的黑盒類測試，在運行時，因為系統測試較為復雜，使得模擬器運行緩慢，所以，開發人員可對計算機系統的聯合部件進行有效篩選，基于對系統重要文件規格的有效滿足，剔除其中不符合規格的模塊，進一步促進系統運行。二是縮減程序測試時間。以深度測試為例，深度測試指的是借助比較函數測試系統。當相關產品運行一個特性的各個細節時，即為出現深度測試的情況，以此便會造成模擬器時間過長，針對這一情況，開發人員在開展深度測試過程中，倘若比較函數不呈現出返還特性，便無需對軟件的各項特性進行測試。

（二）直接選擇指令

直接選擇指令指的是開發人員在選擇指令過程中，自由選擇指令，然后將指令輸入進模擬器中。通過對該種選擇方式的應用，可便于開發人員在執行階段就能夠掌握模擬器的運行狀況。對于直接選擇指令的應用，主要包括下述幾種方式：一是開發人員第一步應選擇X指令，接著選擇Z指令，通過模擬獲取數據，進而將該兩種數據用作模擬器結果。在指令執行后，模擬器中不會繼續產生相關數據信息，也無需保存數據信息，進一步便可提升模擬器的運行效率。二是開發人員在指令處理后續階段，應開發另一種選擇方式，即為在選擇X指令、Z指令后，對指令開展預熱處理，以此可促進收獲可觀的模擬成效，不過該種方式依然面臨一些難題，使得模擬軟件無法適用于當前大環境。三是因為計算機系統結構復雜，所以，在開展模擬器測試過程中為實現對運行問題的有效解決，開發人員可采用部分指令。以兼容測試為例，在以往的兼容測試中，開發人員需要對軟件進行完全運行方可得到最終測試結論。而經由采用部分指令，開發人員可迅速掌握軟件核心部分是否與計算機應用程序相適應，進而為軟件安裝提供有效便利。

（三）引入統計學方式選擇指令

引入統計學方式選擇指令，有助于提升模擬器的運行效率。對于統計學方式選擇指令實際應用，開發人員應開展好下述幾方面工作：一是開發人員所選擇的指令要具有一定的代表性。目前，可提升計算機系統模擬安裝技術的指令包括有代表性采樣、隨機式采樣以及周期式采樣。它們的不同之處在于選擇的數據不相一致，進而會產生不盡相同的模擬器運行效率。比如，在開展模擬器運行測試時，較常應用的Simpoint模式即屬于是一種代表性采樣，主要是在程序運行過程中對試驗流程開展實況分析，進而任意選擇一組模擬點獲取模擬結果。二是合理選擇采樣時機。開發人員在開隨機式采樣、周期式采樣過程中，應注意把握采用的時機，切忌在測試的初期或末尾期開展采樣工作，如此將會造成數據的偶然性，進而出現代表性不足的問題。

（四）調整計算機性能測試的程序

開發人員通過對計算機性能測試程序的有效調整，可有效解決計算機體系結構模擬軟件技術的運行問題，進一步提升系統的運行效率，且主要表現為以下幾個方面：一是匹配參數值。計算機體系結構模擬軟件技術所依附的運載平臺，屬于是計算機性能測試程序，開發人員依托對比程序及模擬技術的數據信息，可直接獲取它們共同的運行參數，進一步調整它們的不同之處，提升契合度。值得一提的是，系統的參數不可負載，倘若模擬技術參數超出系統范圍值，極可能會引發崩盤情況。與此同時，系統參數也不宜過低，參數過低將難以帶動模擬技術運行。二是減少誤差。開發人員通過調整計算機性能測試的程序，可縮減CPU參數集的參數配比，進一步可促進收獲更令人滿意的系統模擬技術運行結果。因為CPU的運算速度要以CPU流水線相關性能指標為有力依據，所以通過調整參數，提升CPU流水線質量，可提升系統的運行效率[5]。與此同時，因為CPU運行速度延長，系統在處理信息過程中，可減少卡頓的引發幾率，進一步可防止出現數據誤差，確保數據的真實性。

四、結束語

總而言之，隨著信息化、數字化時代的來臨，計算機技術已在人們的生產生活中得到越來越廣泛的推廣，加之現如今社會大眾對計算機的需求、功能也提出了越來越嚴格的要求，因此，相關人員應加強對計算機體系結構軟件模擬技術的開發推廣，這同時也轉變成開發新的軟件所必不可少的一項條件。計算機應用功能的開發推廣離不開專業技術人員的有力支持，在開發和推廣過程中，專業技術人員應全面分析計算機體系結構軟件模擬技術面臨的問題，只有這樣才能夠做到有的放矢，合理控制運行參數、直接選擇指令、引入統計學方式選擇指令、調整計算機性能測試的程序等，從多個不同方面促進計算機體系結構軟件模擬技術的有效優化，促進開發出更多可靠實用的計算機應用軟件。