浅析计算机体系结构软件的模拟技术

夏春梅++杨薇

摘要：随着社会经济和计算机技术的快速发展，以及现代生活水平的提高，人们对计算机体系的性能要求也越来越高。而计算机系统结构软件模拟技术也日益兴起，其对计算机的软件开发有着重要的作用。该文通过阐述计算机体系结构软件模拟技术的概念，以及其软件模拟的关键技术，在分析计算机体系结构软件模拟技术研发过程中所遇到问题的同时，也提出了解决问题的有效策略。

关键词：计算机体系结构；软件模拟技术；发展；措施

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）32-0260-02

随着现代信息技术的飞速发展，計算机已经成为系统设计及信息处理的核心工具。体系结构软件模拟技术对于计算机系统而言是必不可少的技术手段，通过体系结构软件模拟技术能够不但最大程度的降低系统设计的费用以及时间，而且也极大提高了设计效率和质量。计算机体系结构软件模拟技术说白了就是通过现有的计算机应用软件，对系统硬件在计算机系统结构中的使用情况以及性能进行模拟，由于计算机体系结构软件模拟技术具有一定的技术优势和成本优势，因此，其目前已经成为计算机系统设计中必不可少的手段。

1 计算机体系结构软件模拟技术的发展过程及其现状

计算机体系结构软件模拟技术是在计算机系统内部的中央处理单元的变化下产生的。二十世纪末，计算机系统是利用数据信息驱动技术来收集计算机运作的数据信息，并完成执行程序指令。另外，数据信息驱动技术深入把握计算机的运作数据信息，并对计算机系统内部中央处理单元的组成结构以及其具备的特点做详细的分析研究，并坚持其所存在的漏洞问题。因此，数据信息驱动技术在当时也被称为基于执行程序指令而形成的一种静态模拟技术[1]。

随着计算机技术的不断发展，因此，在计算机数据信息驱动技术研发的基础上，也就出现了能够分析计算机性能技术。分析计算机性能技术不仅提高了计算机设计结构质量，而且也实现了降低计算机技术的研发成本以及计算机系统设计的失败概率。此后，分析计算机性能技术广泛应用于各个领域。但由于其不能够准确地反映出计算机系统内部的一些细小问题，且适用范围较小，因此，计算机系统设计人员为了提高了精确程度，扩大适用范围，于是对该技术再次进行改进完善，于是计算机体系结构软件模拟技术就在这个背景下诞生了。

据有关数据表明，计算机中央处理器目前的研究和设计过程中，有百分之六十的科研经费都被投入软件模拟和性能评估两方面。从理论上讲，软件和硬件相比，前者的开发成本及周期要远远低于后者的开发成本和周期，并且软件开发比硬件开发要简单。从这个角度来说，灵活性强以及成本低是计算机体系结构软件模拟技术得到推广使用的主要原因。然而，由于计算机体系结构软件模拟技术的研发的技术性要求极强，所以其也面临着众多技术难题，这些难题对其发展都起到了阻碍作用[2]。

2 与计算机体系结构软件模拟技术相关的一些概念

计算机系统的体系结构经过几十年的发展，现已逐渐建立较为成型的技术规范，在计算机体系结构发展的过程中，有不少具有创造性的模拟技术出现，而且其相关概念也在完善中，但是部分概念由于字面意思非常相近，所以人们都习惯性的将其画上等号，例如仿真和模拟两个概念，通过以下定义区分开模拟和仿真两个概念。

1）计算机体系结构仿真

计算机体系结构仿真是指通过计算机硬件或软件的方式，对计算机模拟器产生的某种模拟结果进行模仿。计算机结构仿真的主要目的是在另一个计算机上实现一个已知的计算机系统功能，使另一个计算机能够实现与原计算机系统一样的计算结果，而对于计算过程是不太重视的。

2）计算机体系结构模拟

计算机体系结构模拟则是根据硬件或软件的工作状态来模拟计算机系统的计算过程，其主要目的是为了开发和预测计算机未来的功能和性能，因为是研究计算机的计算过程，所以对于计算结果也不太重视。

随着计算机体系结构模拟技术的发展，计算机体系结构的仿真渐渐属于计算机体系结构模拟，因为体系结构模拟要先通过正确的输出结果来预测模拟方式是否可行，其次在研究计算的过程。例如在计算体系结构模拟过程中，模拟器运行是按照一个程序进行的，而承载模拟器的主机则是按照领一套程序进行的，这样就会造成指令冲突。因此必须要将模拟器上的运行指令实先翻译为主机上的程序指令，那么能实现由模拟器指令转化为主机运行指令的工具称为指令集仿真器。从这个角度来说，计算机体系结构仿真已经成为了计算机体系结构模拟的一部分，是计算机体系模拟的基础条件。

3 计算机体系结构软件模拟的分类

3.1 体系结构模拟器分类的分类

1）计算机体系结构模拟器的分类标准多种多样，根据处理器的实际数量，计算机体系结构可以分为单个处理器和多个处理器系统模拟两种。单个处理器是利用一个处理系统模拟器来进行系统软件模拟工作，而多处理器是由多个处理器共同工作，从而实现内存资源共享。根据模拟目标的差异，模拟器又可分为功能模拟、耗能模拟、性能模拟及发热模拟技术[3]。其中性能模拟与其他三个模拟相比，其发展的最迅速。但是随着计算机系统的快速发展，人们越来越关注的是计算机的耗能问题，因此，耗能模拟在不久将会成为计算机系统设计的关键。另外，模拟器还可以根据开发模式进行划分，可分为串行结构和并行结构，其中串行结构是利用C语言的编程语言执行编程指令的，能够实现直接描述计算机系统。

2）跟踪驱动模拟技术。跟踪驱动模拟技术是页面置换计算方法中最早应用的一种缓存管理算法，在有效的模拟跟踪驱动的同时，也会将指令程序执行的每条数据当做模拟器输入其中，从而模拟某个体系结构处理器的功能及其实际性能。

3.2 计算机执行驱动模拟

计算机体系结构研究学者对计算机执行驱动模拟一直都持有两种观点，其中有一部分学者认为程序的所有指令都是由可执行指令发出的。执行驱动模拟是将使用程序的执行命令作为模拟器的指令输入，模拟器的执行指令的输入与程序执行驱动程序有关，而与动态指令无关。而另一种观点则认为计算机体系结构模拟器不模拟任何一个应用程序的程序命令，模拟器的执行驱动代码源于承载模拟器的主机，而系统模拟器只负责运行其中的一部分指令。但是这种处理方式有一个弊端，就是承载模拟器的主机和模拟器中的指令必须一致才能够实现模拟工作。

4 计算机体系结构软件模拟在研发中存在的问题

计算机体系结构软件模拟技术虽然具有一定的优势，但也有一定的技术难题制约着其发展，例如计算机体系结构软件模拟器的开发难度大、软件模拟器的处理精度较差等。

4.1 计算机体系结构软件模拟器的研发具有一定的难度

众所周知，计算机信息处理系统及其复杂，如果仅通过软件模拟器就想体现其在运行过程中，计算机系统内部各个部件的工作状态，几乎是不可能的。将复杂化的计算机系统进行简单化处理最有效的方式就是对计算机系统进行分层处理。而体系结构就是在这个基础上简化了系统，但经过分层处理之后的计算机系统，对于人们研究来说还是很复杂。另外，当前计算机系统的编程语言都是采用串行结构的C语言，利用C语言对系统内部元件进行模拟，不但耗时严重，而且如果中间一旦出现失误，那么整个编程语句将无法运行[4]。

4.2 模拟器的处理精度较差

软件模拟器的运行精度较差主要是因为模拟器在研发过程中的设计不合理，或者是模拟器没有应用合理的策略。软件模拟器的开发主要经历三个步骤，首先是模拟器在理论上的研究及设计思路，其次是设计符合计算机系统的模拟器，最后则是实现模拟器的正常功能。软件在研发的过程中如果出现失误，对于第一个步骤而言，很有可能出现不能够正确分析计算机系统的各种模拟需求。对于第二个步骤而言，所造成的设计失误极有可能就是不能够正切构建计算机系统的内部，导致模拟器的错误设计。另外，模拟器的运行时间也会影响模拟器的使用精度，运行时间越长，则使用精度就越差。总而言之，计算机体系结构软件模拟器的设计之所以对软件模拟技术很重要，则是因为其还是计算机系统设计中的重要内容。甚至可以说，软件模拟器的质量决定者计算机处理器的设计质量和效率。

5 解决计算机体系结构软件模拟技术研发问题的措施

5.1 降低计算机系统性能测试程序中的输入参数

为了缩短对模拟器的性能测试的程序运行时间，首先要在不改变标准化的计算机系统性能测试中的运行指令的前提下，对计算机系统性能检测程序中的输入参数进行科学合理的更正，这种方式不仅能够利用少量的输入参数使模拟器正常运行，而且还保证了模拟器运行结构准确代表计算机系统各个程序指令的模拟运作结果，不仅提升了模拟器运行的精度，而且还有效地降低了模拟器在运行性能检测程序过程中的运作时间[5]。

5.2 减少运作模拟程序指令数量

在对计算机体系结构软件的性能进行标准性能检测程序的过程中，要科学合理的采用正确的模擬程序指令进行操作，并用这些指令运作的结果代替原有的运作结果。经研究发现，准确的模拟程序指令是提高模拟运作速度和精度的最佳方法。通常情况下，可利用统计方式抽样选择运行程序指令和直接性截获连续程序指令这两种方式选择运作模拟程序指令。其中，直接性截获连续程序指令的操作过程与统计方式抽样选择运行的程序指令方式相比较为容易，但缺点就是精度低，而统计方式抽样选择运行程序指令虽然操作过程较为复杂，但其模拟精度高。

6 总结

随着计算机系统更新频率的加快，计算机体系结构软件模拟技术的重要性日益凸显，从上述内容可得知，计算机体系结构软件模拟技术的工作内容主要是针对计算机中央处理器以及计算机系统设计。模拟技术水平在很大程度上影响着计算机系统的设计效果和计算机处理器的制作水平。其次，由于计算机体系结构软件模拟技术具有一定的优势，所以其注定将成为信息时代人们关注和研究的重点问题。而计算机体系结构软件模拟技术也必将会计算机体系结构的重点技术。

参考文献：

[1] 李振.浅析计算机体系结构软件模拟技术[J].大科技，2016（3）.

[2] 闫雨石.计算机体系结构软件模拟技术浅析[J].工业，2016（9）：262-262.

[3] 杜兆芳.试论计算机体系结构的软件模拟技术[J].电脑知识与技术，2016（22）.

[4] 胡芸.计算机体系结构软件模拟技术分析[J].信息通信，2015（2）：104-104.

[5] 王祥瑞.计算机体系结构软件模拟技术[J].电子技术与软件工程，2014（3）：68-68.