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浅析计算机体系结构模拟技术现状、挑战与展望 　　1 引言 　　计算机系统日益复杂，其研制难度不断增加，开发风险不断加大，研制周期越来越长，体系结构模拟技术在计算机体系结构研究和系统设计中的作用愈加显著. 通过对计算机系统的建模、仿真及评估，科研人员可以验证新型体系结构设计;将该技术导入产品设计则可优化系统方案、降低开发风险并提升开发效率. 　　作为一种系统评估手段，体系结构模拟器运行在宿主机上，通过加载测试程序来验证新的设计方案，发现其中潜在的缺陷，从而改进设计并有效控制风险. 体系结构模拟器通常使用软件方式对部分或全部计算机系统硬件建模，对体系结构的指令集架构、处理器、存储系统、网络传输拓扑结构等进行模拟，验证系统的功能和性能. 体系结构模拟器已成为系统研究和设计开发中不可或缺的工具. 　　早期体系结构模拟采用分析验证技术，如数据驱动验证，即跟踪收集性能测试程序在目标计算机上运行所产生的数据信息，通过分析该数据信息来评估体系结构的性能.这是一种后验证方法，不利于在项目早期开展系统架构分析和风险评估. 为在项目早期论证系统设计方案，在数据驱动验证的基础上又提出了模型分析技术，该技术使用数学工具对计算机系统各部件间的接口进行建模，通过评估资源利用率和相应时序特性来验证目标系统的性能. 模型分析技术可在体系结构设计初期发现影响系统性能指标的关键因素，从而指导方案设计和改进. 但由于模型建立及求解过程复杂，为了简化模型，必须将部分细节特征抽象化，导致模型分析结果精度低，测试结果不能准确反应真实系统特性. 软件模拟技术则可以较好的解决这一问题.模拟器使用软件的方式模 　　拟真实硬件的功能及时序特性. 软件模拟技术可模拟程序执行的全过程，获得程序运行过程中系统的动态行为及特性. 然而，软件模拟技术在表现出较高精度和灵活性的同时，也存在模拟速度过慢的问题. 为了提高模拟速度，软件模拟与硬件加速相结合的技术即混合模拟技术应运而生. 混合模拟技术将体系结构中的部分或全部部件用FPGA 或硬件仿真器( emulator) 实现，从而提高模拟性能. 　　2 模拟精度 　　模拟器精度主要受三个方面因素影响: 　　1) 系统建模精确程度; 　　2) 输入参数拟合程度; 　　3) 指令执行时序的精确程度. 　　模型要精确的匹配真实系统设计，需开发者准确的理解建模任务，并正确的开发出相应模型; 在此基础上，要针对系统具体行为设计输入参数集. 为了实现性能模型的简洁和快速执行，开发者往往将一些细节特征抽象化，导致系统时序出现偏差，降低模拟精度. 在实际应用中，还存在其它因素影响模拟精度，如缓存控制指令的精确性、I /O 系统模拟的准确性等. 　　2. 1 踪迹驱动模拟技术 　　早期的体系结构模拟器主要采用踪迹驱动( trace-driven)、数学建模分析等方法. 踪迹驱动技术收集指令在已有计算机系统中执行所产生的踪迹数据，并将这些信息作为输入驱动模拟器运行. 这种技术的优点在于可仅对系统的局部进行细致模拟而无需关注系统的其它部分，从而降低了开发复杂度并提升了执行速度. 缺点是踪迹本身过滤了系统的动态信息，如分支预测错误等，因而无法观察系统的动态特征，并且踪迹一般是基于特定参数的固定序列，因此无法代表不同参数对应的多种执行情况. 典型的轨迹驱动模拟器包括磁盘系统模拟器DiskSim、Cache 模拟器Dinero等. 数学建模分析方法通过建立数学模型来描述目标系统特征，由于不能精确的获得性能数据，因此这种方法的误差较大. 　　2. 2 执行驱动模拟技术 　　执行驱动( execution-driven) 模拟技术建立目标系统的功能和性能模型，通过应用程序的执行获取性能数据，从而获得较高的模拟精度，执行驱动的模拟器使用目标程序的二进制代码作为输入来驱动模拟过程. 在模拟过程中，模拟器模拟指令的动态执行( 如分支预测等) 过程，从而在不需要目标系统硬件的情况下获得更接近真实目标系统运行的结果，并能够精确的模拟不同部件对系统性能的影响. 相对于踪迹驱动等技术，执行驱动减小了存储空间的开销，模拟器的输入数据量只与程序的静态指令数成比例，动态指令则在模拟过程中由模拟器生成，一定程度上会影响执行速度. 采用执行驱动的模拟器可以运行完整的操作系统和应用程序，是实现全系统模拟的一种常用方法. 执行驱动技术已经成为体系结构模拟的主流技术，典型的应用有SimpleScalar、SimOS、Proteus等. 　　3 模拟速度 　　模拟速度是衡量模拟器性能的重要指标. 精确的性能模拟是非常耗时的过程，特别是随着系统中处理器核心数的迅猛增长，模拟大规模计算机系统所需要的时间会变得难以接受. 以200KIPS