夏春梅++楊薇

摘要：隨著社會經(jīng)濟(jì)和計算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，以及現(xiàn)代生活水平的提高，人們對計算機(jī)體系的性能要求也越來越高。而計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)也日益興起，其對計算機(jī)的軟件開發(fā)有著重要的作用。該文通過闡述計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)的概念，以及其軟件模擬的關(guān)鍵技術(shù)，在分析計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)研發(fā)過程中所遇到問題的同時，也提出了解決問題的有效策略。

關(guān)鍵詞：計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)；軟件模擬技術(shù)；發(fā)展；措施

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）32-0260-02

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的飛速發(fā)展，計算機(jī)已經(jīng)成為系統(tǒng)設(shè)計及信息處理的核心工具。體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)對于計算機(jī)系統(tǒng)而言是必不可少的技術(shù)手段，通過體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)能夠不但最大程度的降低系統(tǒng)設(shè)計的費用以及時間，而且也極大提高了設(shè)計效率和質(zhì)量。計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)說白了就是通過現(xiàn)有的計算機(jī)應(yīng)用軟件，對系統(tǒng)硬件在計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的使用情況以及性能進(jìn)行模擬，由于計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)具有一定的技術(shù)優(yōu)勢和成本優(yōu)勢，因此，其目前已經(jīng)成為計算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計中必不可少的手段。

1 計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)的發(fā)展過程及其現(xiàn)狀

計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)是在計算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部的中央處理單元的變化下產(chǎn)生的。二十世紀(jì)末，計算機(jī)系統(tǒng)是利用數(shù)據(jù)信息驅(qū)動技術(shù)來收集計算機(jī)運作的數(shù)據(jù)信息，并完成執(zhí)行程序指令。另外，數(shù)據(jù)信息驅(qū)動技術(shù)深入把握計算機(jī)的運作數(shù)據(jù)信息，并對計算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部中央處理單元的組成結(jié)構(gòu)以及其具備的特點做詳細(xì)的分析研究，并堅持其所存在的漏洞問題。因此，數(shù)據(jù)信息驅(qū)動技術(shù)在當(dāng)時也被稱為基于執(zhí)行程序指令而形成的一種靜態(tài)模擬技術(shù)[1]。

隨著計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，因此，在計算機(jī)數(shù)據(jù)信息驅(qū)動技術(shù)研發(fā)的基礎(chǔ)上，也就出現(xiàn)了能夠分析計算機(jī)性能技術(shù)。分析計算機(jī)性能技術(shù)不僅提高了計算機(jī)設(shè)計結(jié)構(gòu)質(zhì)量，而且也實現(xiàn)了降低計算機(jī)技術(shù)的研發(fā)成本以及計算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計的失敗概率。此后，分析計算機(jī)性能技術(shù)廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。但由于其不能夠準(zhǔn)確地反映出計算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部的一些細(xì)小問題，且適用范圍較小，因此，計算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計人員為了提高了精確程度，擴(kuò)大適用范圍，于是對該技術(shù)再次進(jìn)行改進(jìn)完善，于是計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)就在這個背景下誕生了。

據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)表明，計算機(jī)中央處理器目前的研究和設(shè)計過程中，有百分之六十的科研經(jīng)費都被投入軟件模擬和性能評估兩方面。從理論上講，軟件和硬件相比，前者的開發(fā)成本及周期要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于后者的開發(fā)成本和周期，并且軟件開發(fā)比硬件開發(fā)要簡單。從這個角度來說，靈活性強以及成本低是計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)得到推廣使用的主要原因。然而，由于計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)的研發(fā)的技術(shù)性要求極強，所以其也面臨著眾多技術(shù)難題，這些難題對其發(fā)展都起到了阻礙作用[2]。

2 與計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)相關(guān)的一些概念

計算機(jī)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，現(xiàn)已逐漸建立較為成型的技術(shù)規(guī)范，在計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)發(fā)展的過程中，有不少具有創(chuàng)造性的模擬技術(shù)出現(xiàn)，而且其相關(guān)概念也在完善中，但是部分概念由于字面意思非常相近，所以人們都習(xí)慣性的將其畫上等號，例如仿真和模擬兩個概念，通過以下定義區(qū)分開模擬和仿真兩個概念。

1）計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)仿真

計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)仿真是指通過計算機(jī)硬件或軟件的方式，對計算機(jī)模擬器產(chǎn)生的某種模擬結(jié)果進(jìn)行模仿。計算機(jī)結(jié)構(gòu)仿真的主要目的是在另一個計算機(jī)上實現(xiàn)一個已知的計算機(jī)系統(tǒng)功能，使另一個計算機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)與原計算機(jī)系統(tǒng)一樣的計算結(jié)果，而對于計算過程是不太重視的。

2）計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)模擬

計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)模擬則是根據(jù)硬件或軟件的工作狀態(tài)來模擬計算機(jī)系統(tǒng)的計算過程，其主要目的是為了開發(fā)和預(yù)測計算機(jī)未來的功能和性能，因為是研究計算機(jī)的計算過程，所以對于計算結(jié)果也不太重視。

隨著計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)模擬技術(shù)的發(fā)展，計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的仿真漸漸屬于計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)模擬，因為體系結(jié)構(gòu)模擬要先通過正確的輸出結(jié)果來預(yù)測模擬方式是否可行，其次在研究計算的過程。例如在計算體系結(jié)構(gòu)模擬過程中，模擬器運行是按照一個程序進(jìn)行的，而承載模擬器的主機(jī)則是按照領(lǐng)一套程序進(jìn)行的，這樣就會造成指令沖突。因此必須要將模擬器上的運行指令實先翻譯為主機(jī)上的程序指令，那么能實現(xiàn)由模擬器指令轉(zhuǎn)化為主機(jī)運行指令的工具稱為指令集仿真器。從這個角度來說，計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)仿真已經(jīng)成為了計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)模擬的一部分，是計算機(jī)體系模擬的基礎(chǔ)條件。

3 計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬的分類

3.1 體系結(jié)構(gòu)模擬器分類的分類

1）計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)模擬器的分類標(biāo)準(zhǔn)多種多樣，根據(jù)處理器的實際數(shù)量，計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)可以分為單個處理器和多個處理器系統(tǒng)模擬兩種。單個處理器是利用一個處理系統(tǒng)模擬器來進(jìn)行系統(tǒng)軟件模擬工作，而多處理器是由多個處理器共同工作，從而實現(xiàn)內(nèi)存資源共享。根據(jù)模擬目標(biāo)的差異，模擬器又可分為功能模擬、耗能模擬、性能模擬及發(fā)熱模擬技術(shù)[3]。其中性能模擬與其他三個模擬相比，其發(fā)展的最迅速。但是隨著計算機(jī)系統(tǒng)的快速發(fā)展，人們越來越關(guān)注的是計算機(jī)的耗能問題，因此，耗能模擬在不久將會成為計算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵。另外，模擬器還可以根據(jù)開發(fā)模式進(jìn)行劃分，可分為串行結(jié)構(gòu)和并行結(jié)構(gòu)，其中串行結(jié)構(gòu)是利用C語言的編程語言執(zhí)行編程指令的，能夠?qū)崿F(xiàn)直接描述計算機(jī)系統(tǒng)。

2）跟蹤驅(qū)動模擬技術(shù)。跟蹤驅(qū)動模擬技術(shù)是頁面置換計算方法中最早應(yīng)用的一種緩存管理算法，在有效的模擬跟蹤驅(qū)動的同時，也會將指令程序執(zhí)行的每條數(shù)據(jù)當(dāng)做模擬器輸入其中，從而模擬某個體系結(jié)構(gòu)處理器的功能及其實際性能。

3.2 計算機(jī)執(zhí)行驅(qū)動模擬

計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)研究學(xué)者對計算機(jī)執(zhí)行驅(qū)動模擬一直都持有兩種觀點，其中有一部分學(xué)者認(rèn)為程序的所有指令都是由可執(zhí)行指令發(fā)出的。執(zhí)行驅(qū)動模擬是將使用程序的執(zhí)行命令作為模擬器的指令輸入，模擬器的執(zhí)行指令的輸入與程序執(zhí)行驅(qū)動程序有關(guān)，而與動態(tài)指令無關(guān)。而另一種觀點則認(rèn)為計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)模擬器不模擬任何一個應(yīng)用程序的程序命令，模擬器的執(zhí)行驅(qū)動代碼源于承載模擬器的主機(jī)，而系統(tǒng)模擬器只負(fù)責(zé)運行其中的一部分指令。但是這種處理方式有一個弊端，就是承載模擬器的主機(jī)和模擬器中的指令必須一致才能夠?qū)崿F(xiàn)模擬工作。

4 計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬在研發(fā)中存在的問題

計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)雖然具有一定的優(yōu)勢，但也有一定的技術(shù)難題制約著其發(fā)展，例如計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬器的開發(fā)難度大、軟件模擬器的處理精度較差等。

4.1 計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬器的研發(fā)具有一定的難度

眾所周知，計算機(jī)信息處理系統(tǒng)及其復(fù)雜，如果僅通過軟件模擬器就想體現(xiàn)其在運行過程中，計算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部各個部件的工作狀態(tài)，幾乎是不可能的。將復(fù)雜化的計算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行簡單化處理最有效的方式就是對計算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行分層處理。而體系結(jié)構(gòu)就是在這個基礎(chǔ)上簡化了系統(tǒng)，但經(jīng)過分層處理之后的計算機(jī)系統(tǒng)，對于人們研究來說還是很復(fù)雜。另外，當(dāng)前計算機(jī)系統(tǒng)的編程語言都是采用串行結(jié)構(gòu)的C語言，利用C語言對系統(tǒng)內(nèi)部元件進(jìn)行模擬，不但耗時嚴(yán)重，而且如果中間一旦出現(xiàn)失誤，那么整個編程語句將無法運行[4]。

4.2 模擬器的處理精度較差

軟件模擬器的運行精度較差主要是因為模擬器在研發(fā)過程中的設(shè)計不合理，或者是模擬器沒有應(yīng)用合理的策略。軟件模擬器的開發(fā)主要經(jīng)歷三個步驟，首先是模擬器在理論上的研究及設(shè)計思路，其次是設(shè)計符合計算機(jī)系統(tǒng)的模擬器，最后則是實現(xiàn)模擬器的正常功能。軟件在研發(fā)的過程中如果出現(xiàn)失誤，對于第一個步驟而言，很有可能出現(xiàn)不能夠正確分析計算機(jī)系統(tǒng)的各種模擬需求。對于第二個步驟而言，所造成的設(shè)計失誤極有可能就是不能夠正切構(gòu)建計算機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)部，導(dǎo)致模擬器的錯誤設(shè)計。另外，模擬器的運行時間也會影響模擬器的使用精度，運行時間越長，則使用精度就越差?？偠灾?，計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬器的設(shè)計之所以對軟件模擬技術(shù)很重要，則是因為其還是計算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計中的重要內(nèi)容。甚至可以說，軟件模擬器的質(zhì)量決定者計算機(jī)處理器的設(shè)計質(zhì)量和效率。

5 解決計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)研發(fā)問題的措施

5.1 降低計算機(jī)系統(tǒng)性能測試程序中的輸入?yún)?shù)

為了縮短對模擬器的性能測試的程序運行時間，首先要在不改變標(biāo)準(zhǔn)化的計算機(jī)系統(tǒng)性能測試中的運行指令的前提下，對計算機(jī)系統(tǒng)性能檢測程序中的輸入?yún)?shù)進(jìn)行科學(xué)合理的更正，這種方式不僅能夠利用少量的輸入?yún)?shù)使模擬器正常運行，而且還保證了模擬器運行結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確代表計算機(jī)系統(tǒng)各個程序指令的模擬運作結(jié)果，不僅提升了模擬器運行的精度，而且還有效地降低了模擬器在運行性能檢測程序過程中的運作時間[5]。

5.2 減少運作模擬程序指令數(shù)量

在對計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件的性能進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)性能檢測程序的過程中，要科學(xué)合理的采用正確的模擬程序指令進(jìn)行操作，并用這些指令運作的結(jié)果代替原有的運作結(jié)果。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，準(zhǔn)確的模擬程序指令是提高模擬運作速度和精度的最佳方法。通常情況下，可利用統(tǒng)計方式抽樣選擇運行程序指令和直接性截獲連續(xù)程序指令這兩種方式選擇運作模擬程序指令。其中，直接性截獲連續(xù)程序指令的操作過程與統(tǒng)計方式抽樣選擇運行的程序指令方式相比較為容易，但缺點就是精度低，而統(tǒng)計方式抽樣選擇運行程序指令雖然操作過程較為復(fù)雜，但其模擬精度高。

6 總結(jié)

隨著計算機(jī)系統(tǒng)更新頻率的加快，計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)的重要性日益凸顯，從上述內(nèi)容可得知，計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)的工作內(nèi)容主要是針對計算機(jī)中央處理器以及計算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計。模擬技術(shù)水平在很大程度上影響著計算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計效果和計算機(jī)處理器的制作水平。其次，由于計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)具有一定的優(yōu)勢，所以其注定將成為信息時代人們關(guān)注和研究的重點問題。而計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)也必將會計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的重點技術(shù)。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 閆雨石.計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)淺析[J].工業(yè)，2016（9）：262-262.

[3] 杜兆芳.試論計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的軟件模擬技術(shù)[J].電腦知識與技術(shù)，2016（22）.

[4] 胡蕓.計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)分析[J].信息通信，2015（2）：104-104.

[5] 王祥瑞.計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)[J].電子技術(shù)與軟件工程，2014（3）：68-68.