Методы и средства программного моделирования для обеспечения процесса проектирования микропроцессорных систем

Современные высокопроизводительные микропроцессорные системы (МС) востребованы во многих областях. Ежегодно производительность микропроцессорных систем увеличивается на 25−35% [1]. Проектирование и создание таких вычислительных комплексов новой архитектуры — сложная задача, включающая в себя разработку, тестирование и отладку как аппаратного, так и программного обеспечения.

Одним из способов повышения эффективности разработки на всем протяжении проектирования является применение комплекса программ, моделирующих работу микропроцессора и МС в целом и их базовых компонентов в отдельности. Существенно сократить время разработки можно с помощью построения моделей исследуемых систем. Такие модели исполняются на инструментальной (хостовой) машине и с определенной точностью воспроизводят поведение целевой (моделируемой) машины. Принцип работы заключается в интерпретации инструкций целевой машины в моделируемом окружении целевой машины. Это позволяет сопоставлять альтернативы и обоснованно вырабатывать решения как при реализации новых микропроцессорных архитектур, так и при создании вычислительных средств на основе стандартных архитектурных спецификаций. Сейчас так действуют многие ведущие компании в области компьютерных технологий, хотя существенные детали их методов остаются закрытыми.

Актуальность диссертационной работы заключается в создании методов и средств, позволяющих сократить время и повысить качество проектирования отечественных высокопроизводительных МС — вычислительных комплексов (ВК) серии Эльбрус — путем их моделирования в процессе проектирования. Диссертационная работа выполнена в ходе реализации предложенного подхода при создании двух линий ВК серии Эльбрус: построенных на базе оригинальной отечественной архитектуры.

Эльбрус" и на базе стандартной архитектуры SPARC. Работы проводились в проектном центре ЗАО «МЦСТ» и «ОАО «ИНЭУМ им. И.С. Брука».

Важной особенностью данной работы является то, что в ней рассматриваются методы создания моделей разрабатываемых, а не уже существующих, как это делается в большинстве случаев. Следствием этого является принципиальная разница в подходах к проектированию средств моделирования. Модель существующей системы может быть достаточно эффективно создана по функциональному описанию архитектуры: системе команд, системе прерываний, описанию подсистемы памяти и т. д. Для создания модели разрабатываемой системы такой подход оказывается неэффективным [2].

Во-первых, развитие средств моделирования должно опережать проектирование аппаратуры на начальном этапе и предоставлять дополнительную функциональность и отладочные средства на протяжении всего времени эксплуатации. Это позволяет разработчикам аппаратуры оценить степень влияния тех или иных архитектурных особенностей на работу системы. Подробная информация о производительности системы необходима для выбора подходящего архитектурного решения. Проектирование архитектуры выполняется на языках описания аппаратуры. И хотя ряд средств позволяют синтезировать и моделировать работу логики, использование программной модели позволяет получить на несколько порядков большую скорость, что является существенным для оценки производительности на продолжительных задачах. Необходимо заметить, что такие задачи как загрузка и работа ОС, а также исполнение прикладных программ на загруженной ОС являются чрезвычайно протяженными во времени. Таким образом, скорость работы самого моделирующего комплекса является важным фактором, влияющим на продолжительность разработки и отладки архитектуры.

Во-вторых, характеристики вычислительной системы могут изменяться в процессе ее проектирования. Характер изменений может представлять как глобальные перепроектировки, в особенности на начальном этапе проектирования, так и множество незначительных изменений — ближе к концу цикла разработки. Это накладывает множество ограничений на построение средств моделирования, основное из которых — необходимость придерживаться максимально абстрактной и иерархической структуры объектов для возможности быстрой замены или перепроектировки.

В третьих, модель разрабатываемого вычислительного комплекса возможно использовать в качестве средства кросс-разработки, что позволяет начать разработку ПО не дожидаясь готовности аппаратуры. Разработчики ПО стремятся к улучшению производительности приложений. Понимание поведения приложения, включая его взаимодействие с аппаратным комплексом и операционной системой (ОС), позволяет сконцентрировать усилия разработчика на изменениях, приводящих к наиболее существенным улучшениям. Портирование ОС требует корректной работы архитектурно-зависимой части на новой архитектуре. Задача моделирования в данном случае заключается в обеспечении разработчиков ОС исчерпывающей информацией о взаимодействии ОС с аппаратным комплексом. Разработчики компилятора и ассемблера, в свою очередь, обеспечивают корректную кодогенерацию для новой архитектуры, поэтому им необходимо средство, позволяющее проанализировать ход выполнения скомпилированных программ. Для обеспечения вышеупомянутых групп разработчиков необходимыми им возможностями, программная модель должна обладать дополнительными средствами отладки. Другой нужной функцией программной модели является контроль возникновения недопустимых или неопределенных ситуаций, вызванных действиями ПО. Такой контроль позволяет выявлять неочевидные программные ошибки преимущественно в системном ПО, возникновение которых по различным причинам не контролируется аппаратурой.

Таким образом, представляется важным разработать методы, позволяющие быстро и эффективно создавать точные модели вычислительных комплексов, предоставляющие возможности разработки и отладки программного обеспечения.

Цель исследования. Целью диссертационной работы является создание методов построения моделирующих систем, предназначенных для применения в процессе проектирования ВК на базе новых и стандартных архитектур, а также формирование отладочных средств, существенно повышающих эффективность разработки аппаратуры и программного обеспечения этих ВК. Для достижения поставленной цели были определены следующие задачи:

• исследовать существующие подходы и принципы моделирования, рассмотреть разновидности программных моделей и аналогичные работы, сформировать требования к моделирующим их комплексам;

• разработать методы построения моделирующих комплексов, применимых для широкого класса архитектур, находящихся в стадии разработки;

• спроектировать и реализовать комплекс отладочных средств, позволяющих осуществлять разработку и отладку программного и аппаратного обеспечения;

• провести апробацию предложенных методов в моделирующих комплексах с архитектурами «Эльбрус» и SPARC.

Методы исследования.

Для решения поставленных задач в диссертации использовались методы и технологии системного программирования, методы математического и имитационного моделирования.

Научная новизна исследования. К составляющим научную новизну диссертационной работы решениям следует отнести:

• архитектурно-независимые методы построения моделирующих комплексов, обеспечивающих применимость к различным компьютерным архитектурам;

• методы построения моделирующих комплексов с неоднородной архитектурой памяти с произвольной топологией, состоящих из изменяемого числа процессоров;

• методы описания базовых функций периферийных устройств, шин и интерфейсов, позволяющих стандартизовать разработку моделей периферийных устройств;

• разработка комплекса отладочных средств, позволяющих ускорить и упростить отладку программного обеспечения.

Практическая ценность и результаты работы.

Практическая ценность работы состоит в создании, на основе предложенных методов, моделирующих комплексов с архитектурами «Эльбрус» и SPARC. Моделирующие комплексы применялись для исследования архитектуры, написания и проверки архитектурных тестов в форме программ на ассемблере и языке Си, создания генераторов тестовых программ, а также разработки и отладки системного и прикладного программного обеспечения при разработке микропроцессоров Эльбрус-S, Эльбрус-2С+, Эльбрус-4С, MLiCT-R500S, МЦСТ-RIOOO и ВК серии Эльбрус на их основе, производимых ЗАО «МЦСТ» и ОАО «ИНЭУМ им. И.С. Брука». В процессе создания моделирующих комплексов были проведены дополнительные проверки документации и алгоритмов работы микропроцессорных систем на первоначальном этапе разработки до получения изготовленных микропроцессоров.

Предложенный модульный подход к построению моделирующих комплексов, примененный в процессе разработки, показал свою востребованность в условиях параллельной разработки нескольких моделей микропроцессоров. При этом эффективность разработанных моделирующих комплексов сравнима с аналогичными виртуальными машинами, что было подтверждено измерениями производительности на нескольких наборах задач.

В процессе выполнения диссертационной работы были получены следующие основные результаты, выносимые на защиту:

1. Проведено исследование существующих подходов и принципов моделирования, анализ существующих разновидностей программных моделей, рассмотрение аналогичных работ. На основании проведенного исследования сделан вывод о необходимости создания программной модели разрабатываемых комплексов, позволяющей упростить их отладку на стадии проектирования.

2. Разработан маршрут моделирования — общая технология разработки моделирующих комплексов, позволяющая интегрировать их применение в маршруте проектирования МС.

3. Разработаны архитектурно-независимые методы построения моделирующих комплексов, обеспечивающих высокую скорость работы и гибкость использования для различных микропроцессорных систем, в том числе для архитектур VLIW и RISC.

4. Разработаны методы построения многопроцессорных моделирующих комплексов с неоднородной архитектурой памяти. Предложенные методы использовались для разработки моделей микропроцессорных систем с NUMA архитектурой.

5. Разработаны общие методы описания периферийных устройств, шин и интерфейсов, отличительным свойством которых является возможность стандартизировать разработку моделей устройств данного типа. В сочетании с другими, приведенными выше методами, предложенный спектр средств позволяет разрабатывать модель всей микропроцессорной системы.

6. Разработан комплекс отладочных средств, включающих трассировку работы процессора и устройств, слежение за ресурсами, контроль неопределенных ситуаций, отличительными свойствами которых является обеспечение гибкости отладки и исследования поведения приложений.

7. Проведена апробация предложенных методов при разработке моделирующих комплексов с архитектурами SPARC и «Эльбрус».

Апробация работы.

Результаты работы докладывались на различных конференциях и семинарах:

• XXXV Международная молодежная научная конференция «Гагаринские чтения» (Москва, МАТИ, 2009 г.);

• международная научная конференция, посвященная 80-летию со дня рождения академика В. А. Мельникова (Москва, МИАН, 2009 г.);

• 52-ая и 55-ая научные конференции МФТИ (2009, 2012 гг.);

• седьмые научные чтения памяти М. К. Тихонравова (4 ЦНИИ МО РФ, 2009 г.);

• семинар отдела «Технологий программирования» института системного программирования РАН (ИСП РАН, 2011 г.);

• конференция, посвященная 55-летию со дня образования НИИ автоматической аппаратуры им. B.C. Семенихина (2011 г.);

• конференция, посвященная 60-летию Московского физико-технического института (2011 г.).

Публикации.

1. Мешков А. Н. Реализация программного комплекса, моделирующего вычислительные комплексы с архитектурой SPARC V9 // Международная научная конференция, посвященная 80-летию со дня рождения академика В. А. Мельникова. Сборник докладов, 2009, С. 138−140.

2. Мешков А. Н. Разработка модели вычислительного комплекса «Эльбрус-S» // Труды 52-й научной конференции МФТИ, Часть 1, Том 1, М.:МФТИ, 2009, С. 58−60.

3. Мешков А. Н. Реализация программного комплекса, моделирующего многопроцессорные ВК с архитектурой SPARC V9 // Вопросы радиоэлектроники, серия ЭВТ, Выпуск 3, 2009, С 79−89.

4. Баратов P.A., Турин K. JL, Мешков А. Н., Разработка модели архитектуры, поддерживающей когерентные обращения в подсистеме памяти // Седьмые научные чтения памяти М. К. Тихонравова. Секция № 6 «Новые информационно-телекоммуникационные технологии и их применение при решении специальных задач», 2009.

5. Мешков А. Н. Реализация программного комплекса, моделирующего вычислительные комплексы с архитектурой SPARC V9 // XXXV Гагаринские чтения. Научные труды Международной молодежной научной конференции в 8 т. Т. 4. М.: «МАТИ'-РГТУ, 2009, С. 138−139.

6. Гурин К. Л, Мешков А. Н., Сергин A.B., Якушева М. А. Развитие модели подсистемы памяти вычислительных комплексов серии «Эльбрус» // Вопросы радиоэлектроники, серия ЭВТ, Выпуск 3, 2010, С. 62−70.

7. Куцевол В. Н., Мешков А. Н., Черных C.B. «Разработка методологии и инструментов создания потактовых программных моделей цифровых устройств» // Труды 54-й научной конференции МФТИ, 2011, С. 25−26 Труды 54-й научной конференции МФТИ, 2011.

8. Мешков А. Н. Модель подсистемы памяти для вычислительных комплексов на базе микропроцессора «Эльбрус-28» // Труды 55-й научной конференции МФТИ, Радиотехника и кибернетика, Том 1, М.:МФТИ, 2012, С. 70−71.

9. Куцевол В. Н., Мешков А. Н., Петроченков М. В. Методология верификации протокола когерентности микропроцессора «Эльбрус-28» // Вопросы радиоэлектроники, серия ЭВТ, Выпуск 3, 2013, С. 107−117.

Ю.Баратов P.A., Камкин A.C., Майорова В. М., Мешков А. Н., Сортов A.A., Якушева М. А. Трудности модульной верификации аппаратуры на примере буфера команд микропроцессора «Эльбрус-28» // Вопросы радиоэлектроники, серия ЭВТ, Выпуск 3, 2013, С. 84−96 Структура и объём диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырёх глав с выводами, заключения. Основная часть работы изложена на 146 страницах, содержит 47 рисунков. Библиографический список составляет 66 наименований.

Основные результаты диссертационной работы связаны с разработкой единых методов построения моделирующих комплексов, применимых как к существующим, так и разрабатываемым комплексам различных компьютерных архитектур. Анализ существующих разновидностей программных моделей показал, что в большинстве случаев они не ориентированы на использование в качестве отладочных средств. Поэтому разрабатываемые моделирующие комплексы должны также обладать набором отладочных средств, удовлетворяющих широкому кругу потребностей разработчиков программного и аппаратного обеспечения.

Разработанные моделирующие комплексы находят применение в большом количестве задач. Во-первых, это разработка и отладка направленных архитектурных тестов, проверяющих соответствие реализации процессора системе команд. При этом тесты и модель разрабатываются независимо, что позволяет провести начальную отладку симулятора на тестовом пакете. Тестовые пакеты для различных архитектур состоят из нескольких тысяч независимых направленных тестов, контролирующих корректность работы какой-то конкретной базовой функциональности. Требование успешного выполнения базовых тестов является одним из необходимых при дальнейшем развитии моделирующего комплекса. Во-вторых, это разработка генератора случайных тестов, предназначенного для повышения полноты покрытия тестирования. В-третьих, это разработка системного программного обеспечения (СПО) — программы начальной загрузки (boot), выполняющейся с момента старта вычислительного комплекса до передачи управления операционной системе и разработка или портирование операционных систем работающих на данной архитектуре. Одной из задач загрузчика является начальное тестирование и настройка аппаратуры и, как следствие, для корректной работы загрузчика на симуляторе требуется очень точное соответствие моделируемого железа реальному. Загрузка операционной системы, как ничто другое, требует особой точности и корректности моделирования не только всех архитектурных особенностей, но и поддержки множества периферийных устройств. Еще одним из применений моделирующих комплексов с архитектурой «Эльбрус» является разработка системы двоичной трансляции, предназначенной для исполнения двоичных кодов, реализованных для архитектуры IA-32 на вычислительных комплексах серии «Эльбрус». Наконец, модели пользовательского уровня находят активное применение при разработке различного рода прикладных приложений для ОС Linux.

В процессе выполнения диссертационных исследований были получены следующие основные результаты, выносимые на защиту:

1. Проведен анализ существующих подходов и принципов моделирования, обзор существующих разновидностей программных моделей, рассмотрение аналогичных работ. На основании рассмотрения аналогичных работ сделан вывод о необходимости создания программной модели разрабатываемых комплексов для их отладки на стадии проектирования.

2. Разработан маршрут моделирования — общая технология разработки моделирующих комплексов, позволяющая интегрировать их применение в маршруте проектирования микропроцессорных систем.

3. Разработаны архитектурно-независимые методы построения моделирующих комплексов, обеспечивающих высокую скорость работы и гибкость использования для различных микропроцессорных систем, в том числе для архитектур VLIW и RISC;

4. Разработаны методы построения многопроцессорных моделирующих комплексов с неоднородной архитектурой памяти (NUMA). Предусмотрена возможность задавать топологию системы и возможность мониторинга обращений в узлы МХМА-системы. Предложенные методы использовались для разработки моделей вычислительных комплексов с N11МА архитектурой «МЦСТ-ЬиООО», «Эльбрус-8» и т. д.;

5. Разработаны общие методы описания периферийных устройств, шин и интерфейсов, позволяющих стандартизировать разработку моделей устройств данного типа. Данные методы использовались для разработки моделей чипсетов для вычислительных комплексов. В сочетании с другими, приведенными выше методами, предложенный спектр средств позволяет разрабатывать модель всей микропроцессорной системы;

6. Разработан комплекс отладочных средств, включающих трассировку работы процессора и устройств, слежение за ресурсами, контроль неопределенных ситуаций, позволяющий обеспечить высокую скорость и гибкость отладки и исследования поведения приложений.

7. Предложенные методы внедрены в существующие моделирующие комплексы с архитектурой «Эльбрус» и на их основе в сжатые сроки реализованы комплексы нового поколения.

В настоящее время моделирующий комплекс продолжается развиваться и активно используется в процессе верификации новых поколений микропроцессорных систем серии Эльбрус, а универсальность заложенных в основу построения методов делает возможным его адаптацию для других современных компьютерных архитектур.

Заключение

.