OpenCMP：一个支持事务存储模型的多核处理器模拟器

CPU设计正在由仅开发指令级并行性的单线程单核结构转向利用线程级并行性的多线程多核结构，但至今还没有一个可移植性好并被广泛使用的开源多核处理器模拟器，限制了在这样的结构上开展高质量的研究工作。我们开发了一个多核处理器体系结构模拟器OpenCMP，用于支持当前和未来对多线程多核处理器体系结构关键技术的研究。该模拟器适当地抽象了多核处理器结构，为主流的多核处理器结构研究提供一个可扩展、灵活的模拟工具框架，包括支持对乱序、顺序的处理器核和同时多线程处理器核的模拟，以便对更大的多核设计空间进行比较性研究。本文以支持事务存储模型的多核处理器结构模拟器为例，详细描述了如何通过抽象多核结构和事务存储模型的最基本特性和组成部分，扩展单核处理器模拟器SimpleScalar，设计与实现一个多核处理器模拟器。初步研究表明，与现有的多核处理器模拟器相比，该模拟器能够较好地支持对事务存储模型和基于事务存储模型的多核处理器体系结构的研究．     

VLIW处理器ISA建模与辅助软件优化技术

在基于VLIW结构的分组密码专用处理器设计过程中,研究了VLIW处理器的指令集体系结构建模技术.设计了一个指令精确的指令集模拟器,通过附加一个流水线相关及停顿统计模块,实现了周期精确的程序运行统计和流水线停顿统计.结合指令集模拟器、汇编器以及调试器,设计了一个面向VLIW处理器的辅助程序优化环境.利用模拟器和调试器来评估程序的指令级并行度以及资源占用情况,辅助程序开发者优化VLIW处理器程序,从而达到软硬件协作开发VLIW处理器指令级并行性的最终目的.     

支持推测并行化的事务存储硬件模拟系统

多核处理器通过增加处理器核数提高计算能力,虽然可以通过同时运行多道程序的方式利用处理器资源,但是多核处理器真正的成功取决于解决并行应用开发中的难题.为此,处理器体系结构和编程模型的协同开发是必须的.而随着核数的增多,传统上使用的软件模拟器因为软件的串行性而性能越来越差,无法支持这种软硬件协同开发.FPGA天生的并行性使它在模拟多核处理器时具有较高的模拟性能和高度的可扩放性,成为处理器体系结构研究的理想工具.本文介绍了基于FPGA的多核模拟系统,RAMP-Pink.该系统基于HASim实现,同时支持事务存储和线程级推测,用于对事务存储和线程级推测的软硬件协同开发.该模拟系统可配置不同的FPGA开发平台,也可以以软件模拟方式运行.     

若干体系结构模拟器加速技术的分析与对比

体系结构模拟器在处理器设计和体系结构研究中起着十分重要的作用.然而,模拟器的速度问题一直是制约其应用与发展的一个重要因素.因此对模拟器加速技术进行研究具有十分重要的意义.此类研究旨在确保模拟器精确性的同时最大程度提升模拟器的运行速度.对当前主流的体系结构模拟器加速技术进行了调研,并在此基础上对各种技术进行了比较和评价.     

可重定向的周期精确模拟器生成环境研究

针对嵌入式系统设计对模拟器生成环境可重定向性的要求,以及当今大多数生成环境多为功能级,而不支持周期级模拟的现状,本文提出了一个可重定向的周期精确模拟器的自动生成环境.通过体系结构描述语言xpADL对目标体系结构的组成和周期级行为进行描述,利用生成器和构件库完成了模拟器的生成.其中,xpADL的描述构架、生成器的分析机制和构件库中控制模拟框架的应用,使得与现有的生成环境相比,此环境在指令的周期级行为、流水线组织和流水化部件的模拟能力等方面均具有优势.实验部分完成了PISA和StrongARM两种体系结构的周期级模拟,并进行了针对加解密应用的流水线结构设计空间搜索的研究,证明了该环境的可重定向性和有效性.     

ArmSim全系统模拟器的设计与实现

模拟器作为嵌入式系统研究的基础研发工具,可辅助系统体系结构调优、软硬件协同设计.本文实现了具有良好配置性及可扩展性的ArmSim模拟器,该模拟器是针对ARM处理器的全系统模拟器,可在其上运行和调试ARM应用级和系统级的目标程序.本文详细描述ArmSim的设计与实现细节.     

计算机体系结构软件模拟技术

在现代处理器或计算机系统设计中,体系结构软件模拟技术已成为一个不可缺少的环节.与不使用模拟技术的计算机系统或处理器设计方法相比,软件模拟技术可以极大地降低设计成本和缩短设计周期.然而,由于开发计算机体系结构软件模拟器通常十分困难,模拟器运行标准性能测试程序的时间很长以及模拟结果精度差等3个主要问题,限制了体系结构软件模拟技术在计算机系统设计中的有效性.许多研究人员已经提出了各种各样的方法和技术来解决这些问题,但是,到目前为止,这些问题还并未得到根本性解决.同时,未来体系结构模拟技术的新挑战已经开始显现.研究了体系结构软件模拟技术的由来和历史,对现有的技术和方法进行了分类和比较,对未来的挑战也进行了分析,指出了该领域今后的发展方向,以帮助计算机体系结构设计师或研究人员选择、开发体系结构模拟器或对该技术进行研究.基于这些调查分析,正在使用较为先进的技术开发一个适合于安腾系列架构的体系结构模拟器SimIPF.     

一种分片式多核处理器的用户级模拟器

随着片上晶体管资源的增多和互连线延迟的加大,分片式多核微处理器已成为多核处理器设计的新方向.为了对这种新型处理器进行体系结构的深入研究和设计空间的探索,设计并实现了针对分片式多核处理器的用户级多核性能模拟器.该多核模拟器在龙芯2号单处理器核的基础上,完整地模拟了基于目录的Cache一致性协议和存储转发式片上互联网络的结构模型,详细地刻画了由于系统乱序处理各种请求应答和请求之间的冲突而造成的时序特性,可以通过运行各种串行或并行的工作负载对多核处理器的各种重要性能指标加以评估,为多核处理器的结构设计提供了快速、灵活、高效的研究平台.     

基于SimpleScalar的M-SIM2.0模拟器内核分析与应用

SimpleScalar工具集被广泛应用于处理器建模与仿真,M-SIM2.0对其最复杂的out-of-order模拟器加入同时多线程支持,并作出相应改进。该文详细分析了基于SimpleScalar的M-SIM2.0模拟器的数据结构、流水线和函数级算法。对该模拟器在同时多线程结构竞争研究中的应用,进行了介绍。     

众核处理器和众核集群的并行模拟

模拟器是计算机体系结构研究的重要工具.近年来并行计算机体系结构的发展给计算机模拟带来了巨大的挑战.一方面,随着体系结构朝着多核以及众核处理器发展,模拟的目标系统规模随着模拟核数以摩尔定律的速度增加而不断增大;另一方面,串行模拟的速度因为模拟器运行所在宿主机主频提速减缓而停滞不前.上述两方面的原因使得传统的串行模拟方式无法满足对新兴体系结构模拟规模和速度的需求.以众核处理器和众核集群这两种体系结构为例,并行模拟技术在并行计算机体系结构模拟中是必要而且可行的.对于众核处理器的模拟,使用并行离散事件模拟对其进行加速,在模拟精度不变的前提下,提高模拟速度10.9倍.对于众核集群的模拟,模拟的目标系统总规模达到1024核,并且支持MPI/Pthreads混合编程的运行环境.