体系架构仿真

处理器体系架构设计和性能评估离不开各种各样的仿真器，各个处理器设计的公司都有
针对特定架构的仿真器，从最简单的指令集仿真器(如spim)，到能仿真硬件行为的性能
仿真器(如simplescalar)，再到全系统仿真器以及针对特定目标的如功耗仿真器（wattch
 etc)；仿真器实现技术又有分路径驱动，执行驱动等等...

 

仿真器叫做emulator,有的也叫simulator（模拟器），至于这两个有什么区别，我始终
也没搞明白。曾问过一个海龟这个问题，他回答也不十分肯定，只是说emulator偏向于
硬件实现，比如我做一个jtag仿真器，或者fpga仿真asic的功能；而simulator偏向于
软件的实现，比如我写一个C model从软件上模拟整个硬件的行为，功能等。

我曾经对simulator也感兴趣过，不过精力有限，没法在仔细深入研究了。著名的模拟器
simplescalar大家都知道。stanford有个simos项目，也是个类似模拟运行操作系统的项
目，好像很大，有兴趣的可以研究一下。还有什么xcopilot是个palm pda的模拟器。
各种游戏机模拟器，比如我们玩得街机模拟器，ps模拟器都是很牛B的模拟器。好像游戏
机很多都是用m68k系列cpu,ps用的是(mips架构的处理器，如果没记错。）

下面说说模拟器有啥用：
1.硬件系统级设计和仿真。asic设计流程大家一般都知道，前端包括是规范定义，系统级
设计，rtl，验证。对于大系统，为了研究其功能，在设计初期尤其是系统设计时并不
考虑具体电路实现，而是着重对结构和功能进行设计。这时候一般都做一个模型。通常用
C语言实现。用程序设计语言实现好处一个是执行速度快，总比hdl的仿真器处理起来快。
而且程序语言更适合写软件的model.

2.在前端验证时候使用。写完rtl后一般都有verification过程。验证就是要检查你的
rtl代码运行结果是否和你功能定义一致。那么就要写测试向量(test bentch)并让你的
rtl来执行。但执行结果怎么才能知道对与错呢？一个很好的办法就是在实现rtl同时
实现一个软件的模型，就是模拟器，这样，通过软件程序执行你的testbench再和rtl
执行结果比较，就可以发现你硬件代码的错误。

3.为系统性能作评估用。模拟器模拟的粒度并不一样，有的模拟器只是功能验证，只要
功能和硬件一样就可以了，比如模拟cpu执行加法指令，取到指令，直接做加法就行。
但有的模拟器为了更好分析系统性能，就需要更细的粒度，比如指令流水线如何实现，
转移预测，流水线停顿都要进行模拟。有一种叫cycle accurate的模拟器，基本和cpu
行为一致了，可以认为是一个软cpu。
模拟器相对硬件好处就是它使软件，灵活，扩展方便。我可以通过模拟器执行一段程序，
把cpu执行过程的整个trace记录下来，分析哪里冲突比较多，影响性能，这样就对后面
cpu的改进提供的数据。还有就是可以用于检测编译器的性能。假如你写了个编译器，
将你编译器生成的代码用模拟器跑一遍，可以记录下来有多少次转移预测失败，多少次
cache miss等。为你开发更优化的编译器提供指导数据。

4.为软件开发提供硬件平台。现在电子设计都受到上市时间(time to market)的压力，
电子产品开发时间要求越来越短，但复杂程度越来越高，这是一个矛盾。假如你开发一
款cpu,采用asic流程开发,可能需要1年,等芯片生产好了,调试通过,再开发相应的软件,
比如compiler,debugger,os,application可能1年多又过去了,根据摩尔定律,集成电路
18个月频率翻一番,你得产品上市后,距离最初设计2年过去了,估计也要淘汰了.
所以现在软件硬件是协同开发.硬件没做好,没有硬件平台时,就要开发软件.那么在哪里
运行软件呢?就需要一个虚拟的硬件平台.
所以一般在硬件设计时,同时也会做一个软件的模型,并在这个软件模型上,开发针对
这种硬件平台的软件.

搞过arm的人可能都玩过不少arm的模拟器.比如gdb本身就自带一个arm模拟器,uclinux
代码经过一些配置后,甚至直接在gdb里面就可以运行,跟踪,调试.再没有硬件平台情况下
就可以搞os移植,当然,模拟器不能100%反映真实硬件,所以这种移植真正到了硬件板上
还需要经过修改.

5.提供一个通用的平台。我们经常会碰到，比如linux/windows软件互不兼容，m68k/
powerpc/x86等程序互不兼容问题。通过模拟器，虚拟机技术，就可以让你在一个平台下
运行另一个平台的程序。还有java虚拟机，就是一种将java bytecode翻译成各目标机
指令的模拟器，不过它不是在一个平台下运行另一个平台程序，而是把java code
翻译成个种目标的code来运行，有点像模拟器反过来。

有一种技术叫binary translation，就和这些话题相关，在二进制级做到兼容的技术。

期待大家介绍更多仿真器/模拟器话题。
期待大家介绍更多仿真器/模拟器话题。

 

emulator只是提供functional的模拟。各种游戏模拟器都是emulator。

simulator要模拟每个细节的行为，至于到达什么程度，取决于各个simulator。
比如在一个支持microarchitecture精确timing的simulator，我可以设置有几个pipeline
stage，同时有几个instructions可以被issued，control speculation的算法，等等。
同样也可是设置cache的各种参数以及multi－processor中属于不同porcessor 的cache之间
的consistency protocol（i.e. MESI).

主要有两类simulator，一类叫做system simulator，也就是能够真正跑操作系统的，由于
这类simulator的工作量和难度都高，现在只有两个这样的simulator，一个是simos，但是
现在这个项目停了，前景不乐关；另外一个是simics，一个欧洲公司的产品，发展势头强劲

另外一类不能跑真正的操作系统，很多simulator都是这类。用这类simulator，要用这类
simulator提供的compiler编译source code（所以需要源代码），产生能被simulator执
行的trace，然后在simulator上跑。rice的RSIM是一个被广泛接受的microarchitecture的
simulator。

第一类simulator的重要意义在于很多情况下只有把OS考虑进去才能够的到全面的分析，
而且很多商用软件是没有办法或者很困难才能得到simulation trace。但是这类simulator
的缺点也很明显，就是速度。SIMCS所有细节打开，模拟4个processor，大约是真实速度
的1/1000。
Intel，SUN都有自己芯片的simulator，不过一般研究者是没有机会接触到。