Simuladores de sistemas de computador: o familiar simulador de plataforma completa e ciclo e trilhas desconhecidos

Na segunda parte do artigo sobre simuladores de sistema de computador, continuarei a falar de uma forma simples de familiarização sobre simuladores de computador, ou seja, simulações de plataforma completa que um usuário comum encontra com mais freqüência, bem como sobre o modelo de batida e faixas mais comuns entre os desenvolvedores.



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Na primeira parte , falei sobre o que são os simuladores em geral e também sobre os níveis de modelagem. Agora, com base nesse conhecimento, proponho me aprofundar um pouco e falar sobre a simulação de plataforma completa, como montar trilhas, o que fazer com elas posteriormente, bem como a emulação microarquitetônica ciclo a ciclo.



Simulador de plataforma completa ou "Um em campo não é um guerreiro"



Se você precisar investigar a operação de um dispositivo específico, por exemplo, uma placa de rede ou gravar um firmware ou driver para esse dispositivo, esse dispositivo poderá ser modelado separadamente. No entanto, usá-lo isoladamente do restante da infraestrutura não é muito conveniente. Para iniciar o driver correspondente, você precisará de um processador central, memória, acesso ao barramento para transferência de dados e assim por diante. Além disso, o driver precisa de um sistema operacional (SO) e pilha de rede. Além disso, um gerador de pacotes e um servidor de resposta separados podem ser necessários.



O simulador de plataforma completa cria um ambiente para a execução de uma pilha de software completa, que inclui tudo, desde o BIOS e o gerenciador de inicialização até o próprio sistema operacional e seus vários subsistemas, como a mesma pilha de rede, drivers e aplicativos em nível de usuário. Para isso, implementa modelos de software da maioria dos dispositivos de computador: processador e memória, disco, dispositivos de entrada e saída (teclado, mouse, monitor) e a mesma placa de rede.



Abaixo está um diagrama de blocos do chipset x58 da Intel. Em um simulador de computador de plataforma completa neste chipset, é necessário implementar a maioria dos dispositivos listados, incluindo aqueles localizados dentro do IOH (Hub de Entrada / Saída) e ICH (Hub do Controlador de Entrada / Saída), que não são desenhados em detalhes no diagrama de blocos. Embora, como mostra a prática, não haja tão poucos dispositivos que não sejam usados ​​pelo software que vamos executar. Modelos de tais dispositivos não precisam ser criados.



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Na maioria das vezes, simuladores de plataforma completa são implementados no nível de instrução do processador (ISA, consulte o artigo anterior) Isso permite criar de forma relativamente rápida e barata o próprio simulador. O nível ISA também é bom porque permanece mais ou menos constante, ao contrário, por exemplo, do nível API / ABI, que muda com mais frequência. Além disso, a implementação no nível da instrução permite executar o chamado software binário não modificado, ou seja, executar o código já compilado sem nenhuma alteração, exatamente como é usado no hardware real. Em outras palavras, você pode fazer uma cópia (“despejo”) do disco rígido, especificá-la como a imagem do modelo em um simulador de plataforma completa e pronto! - O sistema operacional e outros programas são carregados no simulador sem nenhuma ação adicional.



Desempenho do simulador





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Como mencionado acima, o processo de simular todo o sistema como um todo, ou seja, todos os seus dispositivos, é um evento bastante rápido. Se você também implementar tudo isso em um nível muito detalhado, por exemplo, microarquitetura ou lógica, a execução se tornará extremamente lenta. Mas o nível de instruções é uma escolha adequada e permite que o sistema operacional e os programas sejam executados em velocidades suficientes para que o usuário interaja confortavelmente com eles.



Aqui será apenas pertinente abordar o tópico desempenho do simulador. Geralmente é medido em IPS (instruções por segundo), mais precisamente em MIPS (milhões de IPS), ou seja, o número de instruções do processador executadas pelo simulador por segundo. Ao mesmo tempo, a velocidade da simulação também depende do desempenho do sistema no qual a simulação em si trabalha. Portanto, pode ser mais correto falar de uma "desaceleração" do simulador em comparação com o sistema original.



Os simuladores de plataforma completa mais comuns no mercado, como QEMU, VirtualBox ou VmWare Workstation, têm bom desempenho. Pode até não ser perceptível para o usuário que o trabalho está sendo realizado no simulador. Isso se deve aos recursos especiais de virtualização implementados nos processadores, algoritmos de tradução binária e outras coisas interessantes. Este é o tópico completo de um artigo separado, mas, se brevemente, a virtualização é um recurso de hardware dos processadores modernos que permite que os simuladores não simulem instruções, mas executem-nas diretamente em um processador real, a menos que, obviamente, as arquiteturas do simulador e do processador sejam semelhantes. Tradução binária é a tradução do código da máquina convidada no código do host e a execução subsequente em um processador real. Como resultado, a simulação é apenas um pouco mais lenta, uma vez a cada 5 a 10,e geralmente geralmente funciona na mesma velocidade que o sistema real. Embora isso seja influenciado por muitos fatores. Por exemplo, se queremos simular um sistema com várias dezenas de processadores, a velocidade diminui imediatamente várias dezenas de vezes. Por outro lado, simuladores como o Simics em versões recentes suportam hardware host multiprocessador e efetivamente paralelizam núcleos simulados com núcleos reais de processador.nas versões recentes, simuladores como o Simics suportam hardware host multiprocessador e efetivamente paralelizam núcleos simulados com núcleos de um processador real.simuladores como o Simics nas versões mais recentes suportam hardware host multiprocessador e efetivamente paralelizam núcleos simulados com núcleos reais de processador.



Se falamos sobre a velocidade da simulação microarquitetônica, geralmente é de várias ordens de magnitude, cerca de 1000 a 10000 vezes, mais lenta que a execução em um computador comum, sem simulação. E as implementações no nível dos elementos lógicos são ainda mais lentas em várias ordens de magnitude. Portanto, o FPGA é usado como um emulador nesse nível, o que pode aumentar significativamente o desempenho.



O gráfico abaixo mostra a dependência aproximada da velocidade da simulação nos detalhes do modelo.



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Simulação de relógio por ciclo



Apesar da baixa velocidade de execução, simulações microarquiteturais são bastante comuns. A modelagem dos blocos internos do processador é necessária para simular com precisão o tempo de execução de cada instrução. Isso pode levar a mal-entendidos - porque parece, por que não pegar e programar o tempo de execução de cada instrução. Mas esse simulador funcionará de maneira muito imprecisa, pois o tempo de execução da mesma instrução pode diferir de uma chamada para outra.



O exemplo mais simples é uma instrução de acesso à memória. Se o local da memória solicitada estiver disponível no cache, o tempo de execução será mínimo. Se o cache não possuir essas informações (“cache miss”, cache miss), isso aumentará bastante o tempo de execução da instrução. Portanto, é necessário um modelo de cache para simulação precisa. No entanto, o negócio não se limita ao modelo de cache. O processador não irá apenas esperar que os dados sejam recebidos da memória se não estiverem no cache. Em vez disso, começará a executar as próximas instruções, escolhendo aquelas que não dependem do resultado da leitura da memória. Essa é a chamada execução fora de ordem (OOO) necessária para minimizar o tempo de inatividade do processador. A simulação dos blocos de processadores correspondentes ajudará a levar tudo isso em consideração ao calcular o tempo de execução das instruções. Entre essas instruções sendo executadas,enquanto aguarda o resultado da leitura da memória, pode ocorrer uma operação de ramificação condicional. Se o resultado do preenchimento da condição for desconhecido no momento, o processador não interrompe a execução, mas faz uma "suposição", executa a transição correspondente e continua a executar preventivamente as instruções do local de transição. Esse bloco, chamado de preditor de ramificação, também deve ser implementado no simulador de microarquitetura.



A figura abaixo mostra os principais blocos do processador, não é necessário conhecê-lo, é mostrada apenas para mostrar a complexidade da implementação da microarquitetura.



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A operação de todas essas unidades em um processador real é sincronizada por sinais especiais de relógio, da mesma forma que ocorre no modelo. Esse simulador microarquitetural é chamado de precisão do ciclo. Seu principal objetivo é prever com precisão o desempenho do processador que está sendo desenvolvido e / ou calcular o tempo de execução de um determinado programa, por exemplo, alguma referência. Se os valores forem inferiores ao necessário, será necessário refinar os algoritmos e os blocos do processador ou otimizar o programa.



Como mostrado acima, a simulação ciclo a ciclo é muito lenta, por isso é usada apenas ao examinar determinados momentos da operação do programa, onde é necessário descobrir a velocidade real da execução do programa e estimar o desempenho futuro do dispositivo cujo protótipo é simulado.



Ao mesmo tempo, um simulador funcional é usado para simular o restante do tempo do programa. Como esse uso combinado acontece na realidade? Primeiro, é lançado um simulador funcional, no qual o SO e tudo o que é necessário para executar o programa em estudo são carregados. Afinal, não estamos interessados ​​no próprio sistema operacional ou nos estágios iniciais de lançamento do programa, sua configuração e assim por diante. No entanto, também não podemos pular essas partes e ir direto para a execução do programa a partir do meio. Portanto, todas essas etapas preliminares são executadas em um simulador funcional. Após a execução do programa até o momento de seu interesse, existem duas opções possíveis. Você pode substituir o modelo por um modelo push-pull e continuar a execução. Modo de simulação, no qual o código executável é usado (ou seja, arquivos de programa compilados regulares),chamado simulação orientada à execução. Esta é a simulação mais comum. Outra abordagem também é possível - simulação orientada a rastreamento.



Simulação baseada em trilhas



Consiste em duas etapas. Usando um simulador funcional ou em um sistema real, um log de ações do programa é coletado e gravado em um arquivo. Esse log é chamado de rastreamento. Dependendo do que está sendo investigado, a rota pode incluir instruções executáveis, endereços de memória, números de porta, informações sobre interrupções.



O próximo passo é "reproduzir" o rastreamento, quando o simulador de ciclo por relógio lê o rastreamento e executa todas as instruções escritas nele. No final, obtemos o tempo de execução de uma determinada parte do programa, bem como várias características desse processo, por exemplo, a porcentagem de acertos do cache.



Uma característica importante do trabalho com traços é o determinismo, ou seja, iniciando a simulação da maneira descrita acima, repetidamente reproduzimos a mesma sequência de ações. Isso possibilita, alterando os parâmetros do modelo (os tamanhos do cache, buffers e filas) e usando diferentes algoritmos internos ou ajustando-os, para investigar como esse ou aquele parâmetro afeta o desempenho do sistema e qual opção fornece os melhores resultados. Tudo isso pode ser feito com um modelo de dispositivo protótipo antes de criar um protótipo de hardware real.



A complexidade dessa abordagem está na necessidade de pré-executar o aplicativo e coletar o rastreamento, bem como o enorme tamanho do arquivo com o rastreamento. As vantagens incluem o fato de que é suficiente simular apenas a parte do dispositivo ou plataforma de interesse, enquanto a simulação de execução geralmente requer um modelo completo.



Portanto, neste artigo, examinamos os recursos da simulação de plataforma completa, falamos sobre a velocidade das implementações em diferentes níveis, simulação ciclo a ciclo e rastreamentos. No próximo artigo, descreverei os principais cenários para o uso de simuladores, tanto para fins pessoais quanto do ponto de vista do desenvolvimento em grandes empresas.



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