LSE_一种处理器体系结构软件仿真器开发工具

喻之斌　博士研究生,主要从事多核处理器体系结构、体系结构软件仿真技术研究;金　海　教授,博士生导师,主要从事计算机体系结构、并行分布式处理、集群与网格计算等方面的研究。

计算机科学2008Vol 135№12　LSE :一种处理器体系结构软件仿真器开发工具喻之斌　金　海(华中科技大学计算机学院　武汉430074)摘　要　在现代处理器体系结构设计中,利用软件仿真技术对设计结果进行验证是最重要的方面之一。

然而,处理器体系结构仿真器的开发是一个非常困难的过程。

主要的困难表现在三个方面:第一,目前用于处理器体系结构仿真器开发的编程语言如C 或C ++语言都是串行执行的语言,而处理器的各部件是可以并行运行的,使用串行编程语言编程来模拟并行执行的部件需要长时间的、仔细的程序功能与部件功能的匹配工作,并且容易出错;第二,使用串行程序来模拟并行部件的运行,模拟速度很低,并且仿真速度低是处理器体系结构软件仿真器开发领域的瓶颈问题;最后,仿真器仿真结果的可信度低也是一个关键问题。

本文首先介绍了一种新的处理器体系结构软件仿真器开发工具,然后深入分析了该开发工具的优点和缺点,最后对该仿真器开发环境提出了改进方案。

关键词　处理器,体系结构,仿真技术,L SE LSE :A Development Tool for Computer Architecture SimulatorYU Zhi 2Bin Jin 2Hai(School of Computer Science ,Huazhong University of Science and Technology ,Wuhan 430074)Abstract Software simulation is one of the most important aspects in modern processor architecture design ,which is used to verify design results.However ,it is very difficult to develop a processor architecture simulator.Three factors contribute to this difficulty.Firstly ,the programming languages such as C or C ++used for developing processor ar 2chitecture simulators are sequential while the components of a processor can run concurrently.The procedure mapping the sequential program to concurrently running components is time 2consuming ,difficult and error prone.Secondly ,the simulation speed of simulators which are developed by sequential programming languages is very low and this is the bot 2tle neck in processor architecture simulation stly ,the high error ratio of the results of a simulator is also a key issue.In this paper ,we firstly introduced a new development tool for computer architecture simulators.Then ,the ad 2vantages and disadvantages of this tool are deeply analyzed.In the end ,we come up with a proposal to ameliorate the development tool.K eyw ords Processor ,Architecture ,Simulation technology ,L SE 1　引言随着处理器体系结构复杂程度的不断提高,软件仿真技术在现代处理器体系结构研究和设计中成为越来越重要的一个方面。

在工业界,处理器体系结构设计师们使用软件仿真技术来验证他们的设计;在学术界,研究人员使用软件仿真技术来评估新的思想、算法以及新的体系结构。

通常,一款新的处理器在不使用软件仿真器的情况下,从其开始设计到最后测试成功一般需要耗费4～6年的时间[1]。

使用处理器体系结构软件仿真器,可以极大地缩短设计时间,并大大扩展处理器的设计空间。

因此,在计算机系统结构研究领域,人们十分重视体系结构软件仿真技术的研究和软件仿真器的开发。

从文[2]中可以看出,体系结构软件仿真器的开发已经经历了相当长的一段时间并取得了一定的进展。

然而,现代计算机体系结构变得越来越复杂,特别是多核处理器技术的出现,软件仿真器的开发越来越困难。

一方面,人们对处理器性能和功能要求越来越高,处理器厂商必须更快地制造出更新的、更多不同种类的处理器来满足人们的要求。

另一方面,利用软件仿真器来验证更新、更多不同种类的处理器设计是一项非常费时费力的工作。

更糟糕的是,在现有的技术条件下,不仅软件仿真器本身的开发非常困难,而且已有的软件仿真器存在着多方面的缺陷。

主要表现在以下几个方面:1)软件仿真器的开发周期非常长;2)软件仿真器的仿真速度非常慢;3)仿真结果的错误率较高,不能正确地指导处理器的设计。

本文首先介绍了一种新的处理器体系结构软件仿真器开发方法和软件仿真器开发工具。

然后对该方法和工具的特点、优点和缺点进行了分析,最后对该开发工具的进一步完善提出了建议方案。

2　LSE 介绍L SE 的全称是Liberty Simulation Environment ,它是由普林斯顿大学计算机系开发的一套用于处理器建模或仿真的开发工具。

该开发环境旨在对处理器的并行结构化部件进行建模,然后自动生成处理器仿真器。

在仿真器的开发过程中最大限度地重用已有的组件,从而降低仿真器开发的成本和难度。

利用L SE 的仿真器开发过程如图1[3]所示。

图1　利用L SE 的仿真器生成过程 在图1中,利用L SE 开发处理器体系结构软件仿真器的第一步是使用L SS 语言对拟仿真的处理器结构进行描述。

L SS (Liberty Structural Specification Language )是L SE 中定义的一种硬件描述语言,主要对处理器中的并行结构化部件,如处理器中的算术逻辑部件(AL U )、通用寄存器、状态寄存器、高速缓存及地质转换监视缓冲器(TLB )等进行静态描述[4]。

该描述以3.lss 文件保存,一个lss 文件就是一个某种抽象级别的处理器部件或处理器。

获得了lss 文件以后,需要使用L SE 提供的编译器对其进行解释。

解释的过程中,将调用L SE 组件库中的模块描述库(L SS Module Description )。

L SE 中的模块描述库有两种:一种是L SE 提供的核心模块库[5],另一种是仿真器开发者利用L SE 提供的模块定义机制自己开发的模块库。

经过L SE 编译器解释的L SS 文件只刻画了处理器各部件纯粹意义上的连接,各连接上的约束还没有加上,也还没有对这些约束进行合法性、一致性检查。

特别地,还没对同一连接的两个部件端口上数据类型的一致性进行检查。

因此,下一步就是利用L SE 提供的静态结构分析引擎(Static Analysis Engine )给连接加上约束并检查这些连接和约束的合法性、一致性。

如果lss 文件成功通过了静态结构分析引擎的分析,就得到了具有正确连接约束的处理器部件或处理器模型,并被称为具有连接类型约束的模型。

最后,L SE 代码生成器(Code G enerator )通过调用组件运行时行为库(Component Runtime Behavior )生成可执行的仿真器。

从图1中可以看出,L SE 由三部分组成:(1)Liberty 结构化硬件描述语言L SS ;(2)仿真器生成器;(3)核心模块库和运行时库。

其中L SS 是利用L SE 进行处理器仿真器开发的基础,它不仅是对处理器结构进行描述的工具,而且是仿真器开发人员创建扩展库的工具。

核心模块库提供了用于创建处理器模型的基本元素,如选择器、转换器、路由器等。

L SE 定义了两种类型的模块:一种称为叶子模块,另一种称为组合模块。

叶子模块是一种简单模块,它不能再被拆分为更简单的模块。

在申明叶子模块时,需要指出叶子模块的参数、信息接口以及与该模块对应的行为代码文件的位置。

图2中的代码示例了一个叶子模块的申明。

模块的行为代码就是模块的定义,它用一种类似C 语言的编程语言BSL (Behavior Specifica 2tion Language )来实现。

组合模块是由已经存在的模块组合而成的模块,参与组合的模块既可以是叶子模块,也可以是组合模块。

和叶子模块一样,申明组合模块必须指出其参数、信息接口。

与叶子模块不同的是,它不使用BSL 语言来定义它的行为,而是将内部子模块实例化并将子模块实例连接起来,如图3所示。

3　LSE 的主要特点L SE 是目前最优秀的处理器体系结构开发工具之一。

它的特点主要体现在以下几个方面:(1)提供了并行结构化建模机制;(2)提供了基于模块的重用机制;(3)静态模型分析;(4)L SE 可以作为一个处理器通用仿真器构建框架。

3.1　并行结构化建模通常并行结构化系统是由可并行执行的部件组成的。

每个部件都有一个或多个输入及输出端口,部件之间通过端口互相连接,构成一个网状模型。

运行时,部件间通过在预定义的网状模型上发送与接收数据进行通信。

计算机处理器系统是一个同步数字设备,其状态与一个统一的时钟同步,内部部件可以并行执行,因此,计算机处理器系统是一个典型的并行结构化模型。

L SE 通过核心模块库提供了数字设备所必需的基本元素,如转换器、选择器等。

另外,在L SE 中还可利用L SS 语言根据基本部件元素或已经定义的部件定义更复杂的部件。

因此,L SE 可以直接对处理器系统进行并行结构化建模,并使它们并行执行。

如每个处理器部件对应一个L SE 模块实例。

当然,根据抽象级别的不同,一个L SE 模块实例也可以对应一组处理器部件,但L SE 模块实例依然是可并行执行的。