計算機體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)面臨的問題

    隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，計算機系統(tǒng)的功能變得越來越豐富，處理器的操作也趨于復雜。在計算機運行中，計算機體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)的應用，是基于硬件在系統(tǒng)中所處的部位，模擬其功能的運行，以及實際運行中的性能，因而計算機體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)儼然轉(zhuǎn)變成計算機系統(tǒng)中必不可少的一環(huán)。倘若計算機系統(tǒng)處理器或模擬技術(shù)表現(xiàn)出不適應性，計算機體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)不僅有助于減少計算機軟件系統(tǒng)設計開發(fā)成本，還可縮減計算機設計開發(fā)周期。在開展軟件開發(fā)時，因為計算機體系在軟件模擬器開發(fā)中依舊面臨不小的困難，由此使得相關(guān)開發(fā)程序十分負載，尤其是開發(fā)軟件的運行化測試要消耗大量的時間等，這便對計算機體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)帶來極大的影響，進而影響計算機系統(tǒng)應用的有效性[1]。由此可見，對計算機體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)進行探索研究，具有十分重要的理論價值和實踐意義。

一、計算機體系結(jié)構(gòu)軟件模擬及其類別

（一）計算機體系結(jié)構(gòu)軟件模擬

計算機體系結(jié)構(gòu)軟件模擬，主要是指依托硬件或軟件原型的方式對相關(guān)計算機系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)予以模擬，進一步對計算機系統(tǒng)開展計算的過程。計算機體系結(jié)構(gòu)軟件模擬旨在對計算機體系結(jié)構(gòu)未來的性能或功能予以分析、評估，并且著重于對計算機的計算任務執(zhí)行過程予以研究。

（二）計算機體系結(jié)構(gòu)軟件模擬分類

對于計算機體系結(jié)構(gòu)軟件模擬的分類，一是依據(jù)處理器的具體數(shù)量，對應的性能模擬可劃分成單個、多個處理器系統(tǒng)模擬。依據(jù)模擬目標相互間的具區(qū)別，可劃分成性能、功能、發(fā)熱及能耗模擬技術(shù)。二是跟蹤驅(qū)動模擬技術(shù)，作為頁面置換計算方法中較早推廣的一種緩存管理算法，跟蹤驅(qū)動模擬技術(shù)可對跟蹤驅(qū)動開展有效模擬，并且對指令程序執(zhí)行的各項數(shù)據(jù)均將其作為模擬器來傳輸其中，進一步對相關(guān)體系結(jié)構(gòu)處理器的性能、功能予以模擬。

二、計算機體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)面臨的問題

（一）計算機體系結(jié)構(gòu)軟件模擬器開發(fā)難度偏大

因為計算機工作系統(tǒng)存在一定的復雜性，幾乎無法借助計算機軟件來對門電路或晶體管進行模擬。就層次角度分析而言，計算機系統(tǒng)復雜程序簡化抽象程序是較為常用的一種方法，計算機體系結(jié)構(gòu)不斷向簡單化方向發(fā)展，就結(jié)構(gòu)層次角度而言，計算機系統(tǒng)仍然十分復雜，由此使得計算機體系結(jié)構(gòu)軟件模擬器開發(fā)難度亦會不斷提升。從現(xiàn)階段發(fā)展情況而言，計算機體系結(jié)構(gòu)軟件模擬器開發(fā)依舊采用C語言或C++編程語言，依托語言串行結(jié)構(gòu)化的特定機制來開展計算機系統(tǒng)部件及功能模擬工作，但這一過程不僅要投入大量的時間，還極易引發(fā)各種錯誤。比如，從零起步進行開發(fā)存在極大的難度，由此要求基于計算機體系結(jié)構(gòu)開展模擬器開發(fā)工作，以此可切實滿足計算機體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)開發(fā)需求，然而實際開發(fā)中依舊處在模擬器改造及模擬器二次開發(fā)階段。就事實角度分析而言，現(xiàn)有模擬器改造或模擬器二次開發(fā)面臨極大的難度，加之人們通常抱有懷疑態(tài)度，會對模擬器進行反復驗證，以期提升模擬器體系結(jié)構(gòu)評估可信度，然而卻在無形中進一步加大了計算機體系結(jié)構(gòu)軟件模擬器的開發(fā)難度。

（二）計算機體系結(jié)構(gòu)軟件模擬器運行精度不足

在開展計算機體系結(jié)構(gòu)軟件模擬器開發(fā)時，可從目標體系結(jié)構(gòu)角度將其分為理解程序、設計程序以及實現(xiàn)程序，然而在目標體系結(jié)構(gòu)依舊面臨著極大的問題。首先，在理解程序中，要求對計算機體系結(jié)構(gòu)軟件模擬器需求開展有效分析，這是對軟件進行開發(fā)時必須落實好的一項工作。其次，在設計程序中，雖然樹立有明確的計算機體系結(jié)構(gòu)目標，然而往往會因為在對計算機體系結(jié)構(gòu)進行設計時忽視某部分細節(jié)而導致錯誤的引發(fā)，對模擬器編碼工作造成不利影響。最后，在實現(xiàn)程序中，因為計算機體系結(jié)構(gòu)軟件模擬器需要花費很長的時間進行模擬，從而使得開發(fā)人員不得不借助部分指令來取代測試程序中的整體效果，以此將會造成模擬器運行精度受到極大影響。

（三）模擬器在預測新設計時運行時間偏長

    模擬器存在于宿主主機上的同時，也屬于一個運行程序。在對全面計算機系統(tǒng)進行模擬過程中，全面運行過程均應當在時鐘周期的層級上記錄動態(tài)指令，比如寄存器狀態(tài)燈、分支預測期狀態(tài)等，這些環(huán)節(jié)涉及海量的數(shù)據(jù)信息，該部分數(shù)據(jù)信息的存在會不利于詳細的模擬運行速度。在這過程中，SMAETS軟件模擬器作為一個性能可靠的模擬器，整個速度可達到9MIPS，然而相較于宿主主機的硬件，整個運行過程速度要低于約4個數(shù)量級[2]。加之伴隨如今處理器性能的不斷提升，新的標準程序包發(fā)布后也提出了全新的處理器性能評估方案，以此不僅為實時監(jiān)測提供了諸多便利，并且還可從其他多個方面來全面評定處理器性能。為了提升模擬結(jié)果的準確性，即可在運行時引入性能測試程序包。相比硬件設施而言，模擬器的慢速度還會附著一個高負載的測試程序，以此也會很大程度到模擬器的運行時間。又由于每次模擬的目的不盡相同，盡管使用輸入?yún)?shù)，運行時間也會不盡相同，或是幾年，或是幾十年。

三、計算機體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)問題的應對對策

（一）合理控制運行參數(shù)

在計算機系統(tǒng)運行時，針對模擬器運行時間較長、效果不佳的問題，開發(fā)人員可采取下述應對對策：一是調(diào)整程序測試數(shù)量。以系統(tǒng)測試為例，系統(tǒng)測試作為一個針對全面系統(tǒng)開展的黑盒類測試，在運行時，因為系統(tǒng)測試較為復雜，使得模擬器運行緩慢，所以，開發(fā)人員可對計算機系統(tǒng)的聯(lián)合部件進行有效篩選，基于對系統(tǒng)重要文件規(guī)格的有效滿足，剔除其中不符合規(guī)格的模塊，進一步促進系統(tǒng)運行[3]。二是縮減程序測試時間。以深度測試為例，深度測試指的是借助比較函數(shù)測試系統(tǒng)。當相關(guān)產(chǎn)品運行一個特性的各個細節(jié)時，即為出現(xiàn)深度測試的情況，以此便會造成模擬器時間過長，針對這一情況，開發(fā)人員在開展深度測試過程中，倘若比較函數(shù)不呈現(xiàn)出返還特性，便無需對軟件的各項特性進行測試。

（二）直接選擇指令

直接選擇指令指的是開發(fā)人員在選擇指令過程中，自由選擇指令，然后將指令輸入進模擬器中。通過對該種選擇方式的應用，可便于開發(fā)人員在執(zhí)行階段就能夠掌握模擬器的運行狀況。對于直接選擇指令的應用，主要包括下述幾種方式：一是開發(fā)人員第一步應選擇X指令，接著選擇Z指令，通過模擬獲取數(shù)據(jù)，進而將該兩種數(shù)據(jù)用作模擬器結(jié)果。在指令執(zhí)行后，模擬器中不會繼續(xù)產(chǎn)生相關(guān)數(shù)據(jù)信息，也無需保存數(shù)據(jù)信息，進一步便可提升模擬器的運行效率。二是開發(fā)人員在指令處理后續(xù)階段，應開發(fā)另一種選擇方式，即為在選擇X指令、Z指令后，對指令開展預熱處理，以此可促進收獲可觀的模擬成效，不過該種方式依然面臨一些難題，使得模擬軟件無法適用于當前大環(huán)境。三是因為計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜，所以，在開展模擬器測試過程中為實現(xiàn)對運行問題的有效解決，開發(fā)人員可采用部分指令。以兼容測試為例，在以往的兼容測試中，開發(fā)人員需要對軟件進行完全運行方可得到最終測試結(jié)論。而經(jīng)由采用部分指令，開發(fā)人員可迅速掌握軟件核心部分是否與計算機應用程序相適應，進而為軟件安裝提供有效便利。

（三）引入統(tǒng)計學方式選擇指令

引入統(tǒng)計學方式選擇指令，有助于提升模擬器的運行效率。對于統(tǒng)計學方式選擇指令實際應用，開發(fā)人員應開展好下述幾方面工作：一是開發(fā)人員所選擇的指令要具有一定的代表性。目前，可提升計算機系統(tǒng)模擬安裝技術(shù)的指令包括有代表性采樣、隨機式采樣以及周期式采樣。它們的不同之處在于選擇的數(shù)據(jù)不相一致，進而會產(chǎn)生不盡相同的模擬器運行效率。比如，在開展模擬器運行測試時，較常應用的Simpoint模式即屬于是一種代表性采樣，主要是在程序運行過程中對試驗流程開展實況分析，進而任意選擇一組模擬點獲取模擬結(jié)果。二是合理選擇采樣時機[4]。開發(fā)人員在開隨機式采樣、周期式采樣過程中，應注意把握采用的時機，切忌在測試的初期或末尾期開展采樣工作，如此將會造成數(shù)據(jù)的偶然性，進而出現(xiàn)代表性不足的問題。

（四）調(diào)整計算機性能測試的程序

開發(fā)人員通過對計算機性能測試程序的有效調(diào)整，可有效解決計算機體系結(jié)構(gòu)模擬軟件技術(shù)的運行問題，進一步提升系統(tǒng)的運行效率，且主要表現(xiàn)為以下幾個方面：一是匹配參數(shù)值。計算機體系結(jié)構(gòu)模擬軟件技術(shù)所依附的運載平臺，屬于是計算機性能測試程序，開發(fā)人員依托對比程序及模擬技術(shù)的數(shù)據(jù)信息，可直接獲取它們共同的運行參數(shù)，進一步調(diào)整它們的不同之處，提升契合度。值得一提的是，系統(tǒng)的參數(shù)不可負載，倘若模擬技術(shù)參數(shù)超出系統(tǒng)范圍值，極可能會引發(fā)崩盤情況。與此同時，系統(tǒng)參數(shù)也不宜過低，參數(shù)過低將難以帶動模擬技術(shù)運行。二是減少誤差。開發(fā)人員通過調(diào)整計算機性能測試的程序，可縮減CPU參數(shù)集的參數(shù)配比，進一步可促進收獲更令人滿意的系統(tǒng)模擬技術(shù)運行結(jié)果。因為CPU的運算速度要以CPU流水線相關(guān)性能指標為有力依據(jù)，所以通過調(diào)整參數(shù)，提升CPU流水線質(zhì)量，可提升系統(tǒng)的運行效率[5]。與此同時，因為CPU運行速度延長，系統(tǒng)在處理信息過程中，可減少卡頓的引發(fā)幾率，進一步可防止出現(xiàn)數(shù)據(jù)誤差，確保數(shù)據(jù)的真實性。

四、結(jié)束語

總而言之，隨著信息化、數(shù)字化時代的來臨，計算機技術(shù)已在人們的生產(chǎn)生活中得到越來越廣泛的推廣，加之現(xiàn)如今社會大眾對計算機的需求、功能也提出了越來越嚴格的要求，因此，相關(guān)人員應加強對計算機體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)的開發(fā)推廣，這同時也轉(zhuǎn)變成開發(fā)新的軟件所必不可少的一項條件。計算機應用功能的開發(fā)推廣離不開專業(yè)技術(shù)人員的有力支持，在開發(fā)和推廣過程中，專業(yè)技術(shù)人員應全面分析計算機體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)面臨的問題，只有這樣才能夠做到有的放矢，合理控制運行參數(shù)、直接選擇指令、引入統(tǒng)計學方式選擇指令、調(diào)整計算機性能測試的程序等，從多個不同方面促進計算機體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)的有效優(yōu)化，促進開發(fā)出更多可靠實用的計算機應用軟件。

本文來源：《魅力中國》：http://xwlcp.cn/w/wy/25805.html