【摘要】：全系統(tǒng)模擬器可以用于指定模擬某個硬件平臺,因此其被廣泛用于軟件開發(fā)、錯誤判定、內(nèi)存訪問情況的查看和分析等用途。 多核技術(shù)的發(fā)展為全系統(tǒng)模擬器技術(shù)帶來了眾多機遇同時也帶來了很多挑戰(zhàn)。一方面,多核平臺擁有豐富的物理計算資源可供全系統(tǒng)模擬使用并提高自身模擬的性能。另一方面,隨著多核平臺上處理器數(shù)目快速增長,要求全系統(tǒng)模擬器可以高效的模擬大量核的多核平臺并可以模擬運行處理大數(shù)據(jù)量的并行程序。與此同時,全系統(tǒng)模擬器必須有能力真實的模擬并行程序在多核平臺上的并行運行的行為從而才有可能暴露并行程序自身存在的問題,如并行錯誤中的數(shù)據(jù)競爭問題。然而,由于當今主流的全系統(tǒng)模擬器都在利用一個物理處理器,以輪訓的方式模擬多核計算平臺,因此,他不但不能夠利用多核平臺上豐富的物理計算資源與此同時還將在性能上非常差的可伸縮性。與此同時,在可靠性方面,由于虛擬核之間經(jīng)常以較粗粒度進行調(diào)度,因此非常容易隱藏并行程序本身由于運行由于數(shù)據(jù)競爭而產(chǎn)生的隨機錯誤,進而嚴重約束了對模擬軟件運行時行為的分析。然而我們知道開發(fā)一個全系統(tǒng)模擬器,由于要考慮到系統(tǒng)相關(guān)的所有層面,因此需要大量地人力并花費大量地時間。而全系統(tǒng)模擬器較普通的用戶態(tài)程序模擬器更為復(fù)雜,其原因在于要考慮全系統(tǒng)的所有層面,如系統(tǒng)指令集、地址翻譯、運行的特權(quán)級、中斷以及外設(shè)的模擬。而不同體系結(jié)構(gòu)指令集的不同也給構(gòu)建一個可移植的全系統(tǒng)模擬器帶來了更大的困難。 本文提出了一個全新構(gòu)建并行全系統(tǒng)模擬器的方法。我們發(fā)現(xiàn)對于現(xiàn)有的多核平臺,核于核之間關(guān)系以及核與外設(shè)之間相互獨立,他們之間通過有著標準規(guī)范的總線接口進行通訊。例如,每個處理器都擁有自己的控制單元、寄存器以及緩存,處理器之間通過核間中斷進行通訊。這樣的組織結(jié)構(gòu)允許我們基于現(xiàn)有的并行模擬器構(gòu)建一個有效地并行模擬框架,而不是簡單的將其并行化,從而降低構(gòu)建并行模擬器的復(fù)雜性。我們通過集成多個主流的串行模擬器來構(gòu)建一個并行模擬器,每一個串行模擬器都用來模擬一個虛擬處理器并以一個線程的形式運行。我們還提供了一個簡單有效的協(xié)議層負責線程的調(diào)度、通訊和同步模擬。我們認為這種簡單的構(gòu)建方法可以使得并行模擬器具有很好的可伸縮性、可靠性、可移植性以及動態(tài)負載均衡的能力。通過引進輕量級事務(wù)技術(shù)、非阻塞隊列技術(shù)以及針對多核模擬的調(diào)度算法,基于已有的主流串行模擬器,我們構(gòu)建了高可伸縮性和可移植性的并行模擬器。 我們基于QEMU實現(xiàn)了一個并行模擬器原型COREMU,該原型系統(tǒng)中QEMU的代碼修改行數(shù)僅僅在2500行左右。該原型系統(tǒng)支持對x64和ARM兩不同的體系結(jié)構(gòu)的并行模擬。對于x64,最多可以并行模擬255個虛擬核。對于ARM,最多可以對4個虛擬核進行模擬。與此同時,為了幫助程序員更加有效的對程序進行開發(fā)和分析,COREMU還集成了觀察點和內(nèi)存訪問序列收集的機制。對于性能評測,我們使用SPECINT-2000基準評測程序進行評測,其結(jié)果顯示對于單核模擬COREMU僅僅有1%不到的性能開銷。而對于多和模擬,COREMU較QEMU具有更好的可伸縮性。我們使用了多個基準評測程序?qū)ζ淠M多核時性能的多個方面進行評測,結(jié)果顯示,當COREMU模擬的虛擬核數(shù)目不大于物理核數(shù)目時,其具有非常好的可伸縮性。當其模擬的虛擬核數(shù)目大于物理核數(shù)目時,其性能的下降仍然在可接受的范圍內(nèi)。與此同時,對于所有測試程序,COREMU都可以模擬到255個虛擬處理器而當QEMU模擬超過16個處理器時,測試程序模擬運行時間便會超時。當COREMU在4*4的多核計算平臺上模擬16個虛擬處理器時,和QEMU相比,它達到了20-67倍的提速。
【學位授予單位】：復(fù)旦大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2011
【分類號】：TP302.1
【圖文】：

圖3.用戶態(tài)程序模擬器架構(gòu)示，模擬運行的程序與模擬器將作為用戶態(tài)的一個普通程序，在間內(nèi)被運行。模擬運行的程序所調(diào)用的系統(tǒng)調(diào)用將被模擬器直接影作系統(tǒng)的系統(tǒng)調(diào)用。與全系統(tǒng)模擬器相比，用戶態(tài)程序的模擬器程序，因此收集的數(shù)據(jù)更加有針對性。然而由于沒有模擬整個軟以模擬器無法收集和分析程序運行時系統(tǒng)軟件對上層應(yīng)用的影響表明，程序在請求系統(tǒng)調(diào)用進行上下文切換的時候會引起大量的問失敗[19]。而這樣的行為使用用戶態(tài)程序的模擬器是無法捕捉統(tǒng)模擬器擬器主要是模擬整個硬件平臺的所有功能單元，以達到幫助新平發(fā)、調(diào)試和分析的功能。與用戶態(tài)程序模擬器相比，全系統(tǒng)模擬系統(tǒng)的架構(gòu)，除了處理器功能單元以外，還需要模擬內(nèi)存管理單元

上系統(tǒng)軟件開發(fā)、調(diào)試和分析的功能。與用戶態(tài)程序模擬器相比，全系統(tǒng)模擬器為了模擬整個系統(tǒng)的架構(gòu)，除了處理器功能單元以外，還需要模擬內(nèi)存管理單元、存儲器共控制單元、中斷控制單元以及網(wǎng)卡等其他外圍設(shè)備。其結(jié)構(gòu)如圖4所示。被模擬運行的系統(tǒng)并不知道下面模擬器的存在。他認為自己運行在一臺真實的物理計算平臺上。而對于宿主系統(tǒng)，在他看來，模擬器程序不過是一個簡單的用戶態(tài)程序。模擬器使用操作系統(tǒng)提供的己有的服務(wù)來模擬整個計算平臺，他將自身虛擬空間的一部分劃分給模擬的平臺，來模擬目標計算平臺的內(nèi)存單元。全系統(tǒng)模擬器在模擬所有功能單元的同時，還需要維護一些中間狀態(tài)信息，在下面一節(jié)中將具體講述其具體實現(xiàn)細節(jié)。第9頁共68頁

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