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2024年4月16日发(作者：死亡之组乱了丶)
ＩＳＳＮ １Ｏ０９—３Ｏ４４
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ＣｏｍｐｕｔｅｒＫｎｏｗｌｅｄｇｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ电脑知识与技术
Ｖｏ１．９，Ｎｏ．１，Ｊａｎｕａｒｙ ２０１３．
基于ＳｉｍｐｌｅＳｃａｌａｒ的Ｍ－ＳＩＭ２．０模拟器内核分析与应用
刘宇，陆岳
（同济大学软件学院，上海２０１８０４）
摘 ：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。
关键词：Ｍ—ＳＩＭ２．Ｏ；同时多线程；ＳｉｍｐｌｅＳｃａｌａｒ；处理器建模
中图分类号：ＴＰ３３７ 文献标识码：Ａ文章编号：１０Ｏ９—３０４４（２０１３）Ｏ１—０２１２一Ｏ７
Ｋｅｒｎｅｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｍ—ＳＩＭ２．０ Ｓｉｍｕｌａｔｏｒ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＳｉｍｐｌｅＳｃａｌａｒ
ＬＩＵＹｕ．ＬＵＹＨｅ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔｏｎｇｊｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０１ ８０４，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＳｉｍｐｌｅＳｃａｌａｒ ｔｏｏｌ ｓｕｉｔｅ ｉｓ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．Ｍ—ＳＩＭ２．０ ａｄｄｓ Ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓ ｍｕｌｔｉ—
ｔｈｒｅａｄｉｎｇ（ＳＭＴ）ｓｕｐｐｏｒｔ ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｃｅｒｔａｉｎ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｓ ｆｏｒ ｉｔ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｖｅｓｇ ａ ｄｅｔａｉｌｅｄ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ ｄａｔａ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｐｉｐｅｌｉｎｅ ａｎｄ
ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｌｅｖｅｌ ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ ｆｏｒ Ｍ—ＳＩＭ２．０ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＳｉｍｐｌｅＳｃａｌａｒ．Ｔｈｅｎ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｉｔｓ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ ＳＭＴ ｃｏｍｐｅｔｉｔｉｏｎ ｒｅｓｅａｒｃｈ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｍ—ＳＩＭ２．０；ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓ ｍｕｌｔｉｔｈｒｅａｄｉｎｇ；ＳｉｍｐｌｅＳｃａｌａｒ Ｔｏｏｌ Ｓｕｉｔｅ；ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ ｍｏｄｅｌｉｎｇ
处理器设计是一项非常耗费资金和时间的复杂工程，特别是在集成度越来越高的今天，面对上亿规模的晶体管，那种设计硬件
原型一实现一进行评估一改进一再实现的模式已不能满足科学实验与测试需要；另一方面，数学形式的性能模型在Ｃａｃｈｅ、乱序执
行等技术被广泛采用的情况下并不能精确地反映实际情况［１１。于是，处理器设计人员通过模拟器进行性能的预先评估和正确性验
证，因此处理器体系结构模拟器对ＣＰＵ设计非常重要。体系结构模拟器均采用软件模拟指令运行的工作方式，虽然其灵活性高，但
是效率低。大型测试程序往往需要运行几十个小时甚至几天的时间。因此选择一款性能与开销相对合理的模拟器是非常重要
的。该文首先介绍广泛使用的ＳｉｍｐｌｅＳｅａｌａｒ模拟器工具集框架，然后详细分析了基于Ｓｉｍｐｌｅｓｃａｌａｌｒ，并支持同时多线程结构（Ｓｉｍｕｌｔａ—
ｎｅｏｕｓ ｍｕｈｉｔｈｒｅａｄｉｎｇ，ＳＭＴ）的Ｍ—ＳＩＭ２．０模拟器的数据结构和函数级算法，通过实例对该模拟器的应用范围作了介绍。
１ ＳｉｍｐｌｅＳｃａｌａｒ简介
Ｗｉｓｃｏｎｓｉｎ—Ｍａｄｉｓｏｎ大学发布的ＳｉｍｐｌｅＳｃａｌａｒ模拟器工具集 是一个富有开创性的模拟器开源软件。该模拟器提供了良好的可
移植性。按照用户对性能，运行速度，实现细节的不同需求，提供了运行速度最快的ｓｉｍ—ｆａｓｔ，稳定性最好的ｓｉｍ—ｓａｆｅ，以及最能反映
超标量流水线设计的乱序执行ｓｉｍ—ｏｕｔｏｒｄｅｒ等。ＳｉｍｐｌｅＳｃａｌａｒ￣够支持各种不同层次设计人员的需求，因此得到了广泛的应用。针
对不同层次设计人员的需求，ＳｉｍｐｌｅＳｅａｌａｒ提供了五个不同功能的模拟器：Ｓｉｍ—Ｆａｓｔ，Ｓｉｍ—Ｓａｆｅ，Ｓｉｍ—Ｐｒｏｆｉｌｅ，Ｓｉｍ—Ｃａｃｈｅ／Ｓｉｍ—Ｃｈｅｅｔａｈ／
Ｓｉｍ—ＢＰｒｅｄ和Ｓｉｍ—Ｏｕｔｏｒｄｅｒ。如图１所示：
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图１ ＳｉｍｐｌｅＳｃａｌａｒ Ｔ具集
收稿日期：２０１２—１２—１２
作者简介：刘￣（１９８８一），男，硕士生，主要研究方向为计算机体系结构，微体系结构；陆岳（１９８９一），男，硕士生，主要研究方向为计算
机操作系统。
本栏目责任编辑：梁书
Ｃｏｍｐｕ￣ｒ Ｋｎｏｗｌｅｄｇｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ电脑知识与技术 第９卷第０１期（２０１３年０１月）
４结束语
ｓｉｍｐｌｅｓｃａｌａｒ是一个富有开创性的处理器体系结构模拟器，但存在不足。Ｍ—ＳＩＭ２．Ｏ在流水线设计和数据结构方面做出了改进，
包括明确的译码段定义、ＲＯＢ定义并加入了ＳＭＴ支持。除此以外，Ｍ—ＳＩＭ３．０加入了多核多线程支持，符合处理器体系结构研究和
发展的需求。
参考文献：
『１１ Ｍ．Ｄｅｎｍａｎ．ＰｏｗｅｒＰＣ ６０４．Ｉｎ Ｈｏｔ Ｃｈｉｐｓ ＶＩ，ｐａｇｅｓ １９３－２００，Ａｕｇｕｓｔ １９９４．
［２］Ａｕｓｔｉｎ Ｔ，Ｌａｒｓｏｎ Ｅ，Ｅｒｎｓｔ Ｄ．ＳｉｍｐｌｅＳｃａｌａｒ：Ａｎ ｉｎｆｒａｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｆｏｒ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｓｙｓｔｅｍ ｍｏｄｅｌｉｎｇ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ，２００２，３５（２）：５９—６７．
『３１ Ｊ．Ｓｈａｒｋｅｙ．Ｍ—ＳＩＭ２．０：Ａ ｆｌｅｘｉｂｌｅ，ｍｕｌｔｉ—ｔｈｒｅａｄｅｄ ｄｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．Ｔｅｃｈ Ｒｅｐｏｒｔ ＣＳ－ＴＲ一０５一ＤＰ１，Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｃｉ—
ｅｎｃｅ，ＳＵＮＹ Ｂｉｎｇｈａｍｔｏｎ，２００５．
【４】陈剑龙，傅忠传，崔刚．ＳｉｍｐｌｅＳｃａｌａｒ模拟器内核分析及应用［Ｊ】．哈尔滨工业大学学报，２００４，３６（５）：６５２—６５６．
［５］Ｓｈａｒｋｅｙ Ｊ Ｊ，Ｐｏｎｏｍａｒｅｖ Ｄ Ｖ．Ｂａｌａｎｃｉｎｇ ＩＬＰ ａｎｄ ＴＬＰ ｉｎ ＳＭＴ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｓ ｔｈｒｏｕｇｈ Ｏｕｔ—ｏｆ－Ｏｒｄｅｒ Ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｄｉｓｐａｔｃｈ［Ｃ］．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ
ｔｈｅ ２００６ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｐａｒａｌｌｅｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒｉｎｇ．Ｃｏｌｕｍｂｕｓ，Ｏｈｉｏ，Ａｕｇｕｓｔ ２００６：３２９—３３６．
【６】印杰，江建慧．冗余多线程结构的重命名寄存器配对共享分配策略［Ｊ］．计算机研究与发展，２０１１，４８（３）：５１６—５２７．
（上接第１９９页）
５结束语
本文的主要研究内容为基于硬环境的动态ＦＰＧＡ￣］试的平台的架构的设计， 与主流的ＦＰＧＡ测试方法做了分析和比较，介绍
整个测试平台各个模块的结构和功能以及各模块的无缝衔接，突出基于硬环境的下ＦＰＧＡ配置的动态性，同时保证整个测试平台的
测试完备性。
参考文献：
［１］林腾，冯建华，赵建兵，等．一种新的面向应用的ＦＰＧＡ￣ｔ］试方法［Ｊ】．北京大学学报：自然科学版，２００９，４５（３）：４０２—４０８．
［２】李平，廖永波，阮爱武，等．ＳｏＣ软硬件协同技术的ＦＰＧＡ芯片测试新方法［Ｊ］．电子科技大学学报，２００９，３８（５）：７１６—７２０．
［３］杨海钢 嘉斌，王慰．ＦＰＧＡ器件设计技术发展综述［Ｊ］．电子与信息报，２０１０，３２（３）：７１４－７２７．
『４】于源，徐元欣，郑伟，等．基于ＦＰＧＡ的软硬件协同测试的设计与实现［Ｊ］．电子器件，２００６，２９￣）：１２０８—１２１４．
［５］梅岩，王力生．基于构件的嵌入式操作系统开发平台设计［Ｊ］．计算机工程，２００６，３２（１１）：９７－９９．
［６］Ａｈｍｅｄ Ｅ．Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｌｏｇｉｃ ｂｌｏｃｋ ｇｒａｎｕｌａｒｉｔｙ ｏｎ ｄｅｅｐ—ｓｕｂｍｉｃｒｏｎ ＦＰＧＡ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ａｎｄ ｄｅｎｓｉｔｙ［Ｃ］．Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｆ ｏＴｏｒｏｎｔｏ，Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ
Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ａｎｄ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００１．
【７】Ｒｏｙ Ｋ，Ｍｅｈｅｎｄａｌｅ Ｍ．Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｈａｎｎｅｌ ｓｅｇｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｃｈａｎｎｅｌｅｄ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ＦＰＧＡｓ［Ｃ］．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ＩＥＥＥ Ｃｕｓｔｏｍ Ｉｎｔｅ－
ｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ．Ｂｏｓｔｏｎ．１９９２：４４１－４４４．
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