《功能级超标量性能模拟器HOPEI的设计与实现》由会员分享，可在线阅读，更多相关《功能级超标量性能模拟器HOPEI的设计与实现（68页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、摘要摘要系统模拟是现代计算机系统设计流程中重要的组成部分，特别是在高性 能处理器设计领域。在进行目标系统的逻辑设计和电路设计之前，通过对目 标系统进行系统模拟，设计者不仅可以评测目 标系统的性能，判断系统性能 是否达到系统设计要求，而且还可以 针对系统设计要求进行系统设计方案的 选择。本文详细阐述了 功能级超标量模拟器 H O P E - 1 的设计与实现。 H O P E - 1 模拟器为目 标系统的基线模型，采用执行驱动技术实现，可运行用户级程 序，其具有软件结构模块化、参数可配置、时序模拟精确、数据统计功能完 善等特点。本文首先根据 H O P E - I 模拟器的设计目的及要求对模拟器
2、的设计方案进 行了 选择论证， 然后描述了H O P E - 1 模拟器的总体软件架构，接下来分三个 方面论述了H O P E - 1 模拟器的设计与实现:( 1 ) MI P S指令集仿真。该部分主要讨论了指令的定义与解码，程序加 载器设计及系统调用处理。其中，系统调用采用宿主机代理方式实现。( 2 )微体系结构设计与实现。该部分主要讨论了流水线设计、处理器状 态恢复机制设计及结果检验机构设计。H O P E - 1模拟器微体系结构具有一条 6段流水线，包含现代超标量处理器的基本组成结构;具有处理器状态恢复 机制，可在任意出错指令处进行处理器状态恢复;具有检验机构，可以以单 指令为单位对程序
3、执行结果进行正确性检验。( 3 )存储器层次模拟。 H O P E - 1 模拟器模拟了一个完整的存储器层次， 支持非阻塞访问与并发访问，其采用事件驱动机制可精确模拟存储器层次的 动态时序行为.本文最后对H O P E - 1 模拟器的功能正确性进行了测试。关健词计算机体系结构;系统芯片:处理器设计;系统模拟;性能模拟哈尔滨工业大学工学硕士学位论文Ab s t r a c tS y s t e m s i m u l a t i o n i s a n i m p o r t a n t i n t e g r a n t p a r t o f d e s i g n fl o w o f
4、m o d e r n c o m p u t e r s y s t e m , e s p e c i a l l y i n t h e f i e l d o f h i g h - p e r f o r m a n c e p r o c e s s o r d e s i g n T h r o u g h s i m u l a t i n g t a r g e t s y s t e m b e f o r e l o g i c d e s i g n a n d c i r c u i t d e s i g n , t h e d e s i g n e r n o
5、t o n l y c a n e v a l u a t e t h e p e r f o r m a n c e o f t a r g e t s y s t e m a n d e s t i m a t e w h e t h e r i t m e e t s t h e d e s i g n r e q u e s t , b u t a l s o c a n c h o o s e t h e d e s i g n s c h e m e i n d e s i g n s p a c e a c c o r d i n g t o t h e d e s i g n
6、r e q u e s t .T h i s p a p e r e x p a t i a t e s t h e d e s i g n a n d i m p l e m e n t a t i o n o f a f u n c t i o n a l - l e v e l s u p e r s c a l a r p e r f o r m a n c e s i m u l a t o r H O P E - I . H O P E - 1 s i m u l a t o r t h a t c a n r u n u s e r - l e v e l p r o g r a
7、 m s i s t h e b a s e l i n e m o d e l o f t a r g e t s y s t e m a n d i t s i m p l e m e n t i s b a s e d o n e x e c u t i o n - d r i v e n t e c h n i q u e . I t s f e a t u r e i n c l u d e s t h e m o d u l a r s o ft w a r e s t r u c t u r e , t h e c o n f i g u r a b l e p a r a m
8、e t e r , t h e a c c u r a t e t i m i n g a n d p e r f e c t d a t a c o l l e c t f u n c t i o n .F i r s t l y , t h e d e s i g n s c h e m e i s d e m o n s t r a t e d a c c o r d i n g t o t h e d e s i g n a i m a n d t h e d e s i g n r e q u e s t o f H O P E - 1 s i m u l a t o r , a n
9、 d t h e n t h e o v e r a l l s o ft w a r e a r c h i t e c t u r e o f H O P E - I s i m u l a t o r i s d e s c r i b e d . I n t h e f o l l o w i n g , t h r e e a s p e c t s a b o u t t h e d e s i g n a n d i m p le m e n t a t i o n o f H O P E - 1 s i m u l a t o r a r e d i s c u s s e d
10、( 1 ) E m u l a t i o n o f M I P S I S A . T h e d i s c u s s e d c o n t e n t s i n c l u d e i n s t r u c t i o n d e f i n i t i o n a n d d e c o d e , t h e d e s i g n o f p r o g r a m l o a d e r a n d t h e h a n d l i n g o f s y s t e m c a l l , w h i c h i s im p l e m e n t e d t h
11、 r o u g h t h e h o s t p r o x y m e c h a n i s m .( 2 ) D e s i g n a n d i m p l e m e n t a t i o n o f t h e m i c r o a r c h i t e c t u r e . T h e d i s c u s s e d c o n t e n t s i n c l u d e p i p e l i n e d e s i g n , p r o c e s s o r s t a t u s r e c o v e ry m e c h a n i s m d
12、 e s i g n a n d r e s u l t c h e c k m e c h a n i s m d e s i g n . H O P E - I s i m u l a t o r s m i c r o a r c h i t e c t u r e h a s a s i x - s t a g e s p i p e l i n e a n d i n c l u d e s b a s i c s t r u c t u r e o f t h e m o d e r n s u p e r s c a l a r p r o c e s s o r ; H O P
13、 E - 1 s i m u l a t o r h a s a p e r f e c t p r o c e s s o r r e c o v e ry m e c h a n i s m t h a t c a n r e c o v e r p r o c e s s o r s t a t u s fr o m a n y f a u l t i n s t r u c t i o n . Mo r e o v e r , H O P E - 1 h a s a c h e c k S o C ; p r o c e s s o r d e s i g n ; s y s t e
14、m s i m u l a t i o n ; p e r f o r m a n c e s i m u l a t i o n. m .第 t 章 绪论第1 章 绪论1 . 1 课题来源及研究目的和意义近年来，随着人们对嵌入式系统产品的需求日 益增长，以及单芯片集成 度的飞速提高，I C设计与制造业出现一股整合潮流，进而引发设计方法的 革命，S o C ( S y s t e m - O n - C h i p ) 系统芯片技术也随之得到快速发展， I C产业也 因此出现了一次重新洗牌的机会。我国在芯片设计领域还处于起步阶段，所 以更应抓住这一难得发展契机，为此，8 6 3“ 十五”计划成
15、立了超大规模集 成电路设计专项，意在尽快突破并掌握S o c设计与制造的关键技术.2 0 0 2年 9月，在崔刚教授的提议和直接参与下以 及系统结构教研室众 位老师的支持下成立了 S o c研究小组。该小组致力于 S o c相关理论、方法 及技术的研究，以突破核心技术为目 标，希望最终能将研究成果应用于可穿 戴计算机项目。S o c设计基于I P ( I n t e l l e c t u a l P r o p e rt y 知识产权) 核，而处理器I I I 核是最 重要的I P核，所以小组目前的工作重心是高性能处理器软 I P核的研发。选 择开发处理器软 I P核，通过处理器软 I P核
16、的开发掌握 I I I 设计和验证技术 是充分考虑到现在和未来工作的需要.一方面，我国长期以来没有自主知识 产权的处理器，这对我国信息产业的长期发展极为不利，为此，8 6 3计划把 C P U的开发及设计作为重点课题，国内多家科研机构也相继开展了相关方 向的研究并取得了阶段性成果。实际上，处理器设计的相关理论、技术已十 分成熟，相应的开发工具也层出不穷，加之 F P G A 的高速发展，在实验室 开发 C P U已不再是梦想;另一方面，由于处理器是 I P核是 S o c设计的核 心，我们可以以此为基础，通过不断集成，逐步研究开发 S o c应用设计， 争取尽快和国际发展接轨，开发出一整套拥有自 主知识产权 S o c硬件及软 件产品。通过对国内外现代处理器设计流程的研究，小组决定首先应对目 标系统 进行系统模拟( 性能模拟) ，以 便对未来目 标系统的设计方案进行性能评测， 同时也为后续逻辑设计与电路设计打下良 好的基础，本课题就是来源于此. 本课题设计并实现的功能级超标量性能模拟器 H O P E - 1 对目 标系统进行了功 能级模拟( 模拟处理器各组成模块的时 序行为，
