像 PTLsim 这样的 CAS 模拟器如何实现 x86 硬件的周期精确模拟？

Posted 2023-02-19

【中文标题】像 PTLsim 这样的 CAS 模拟器如何实现 x86 硬件的周期精确模拟？

【英文标题】：How can CAS simulators like PTLsim achieve cycle accurate simulation of x86 hardware?

【发布时间】：2012-12-24 22:27:52

【问题描述】：

有人能告诉我像http://www.ptlsim.org/ 这样的CAS 软件是如何工作的吗？如果既不知道每条指令使用多少个周期也不知道 CPU 分支预测逻辑的信息，它们如何实现周期精度？还是所有内容都可以通过 NDA 获得？

我想它们可能在缓存被命中或丢失时非常准确（也许我错了，但我认为预测内部算法更容易），但不知道如何实现流水线和超标量，我很困惑如何使模拟周期准确。

因此，理论上是否可以在基于 x86 的硬件上实现 hard rtos？或者应该签署某种 NDA 以便能够估计每条指令所需的时间？

【问题讨论】：

查看常见问题解答，关注他们的“协同仿真”技术。这是通过在主机处理器上实际执行模拟代码来实现的。

@HansPassant 我认为您误解了“协同仿真”的概念。周期精确仿真完全基于用户提供的处理器模型。主机处理器仅用于加速和/或验证模拟。

那只是简单的模拟，没有“co”。

@HansPassant 我同意：这个词具有误导性。也许他们想到了协同程序？谁知道...

英特尔员工不会在 2010 年修复此问题：software.intel.com/en-us/forums/… 与 ARM 相关：***.com/questions/17454955/…

【参考方案1】：

第一个问题：如果既不知道每条指令使用多少个周期，也不知道 CPU 分支预测逻辑，它们如何实现周期精度？

该模拟器确实为足够精确的 CPU 模型提供了周期精确的模拟，但没有为英特尔或 AMD 当前产品提供开箱即用的模型。 Intel 或 AMD 的人员可以访问所需信息，可以创建 RTL 级模型并获得当前处理器的周期精确模拟。英特尔和 AMD 以外的人不能。您仍然可以将公开的信息提供给模拟器并获得合理的结果。这些结果与真实硬件不同。

如果您是软件开发人员并且想要对真实硬件进行基准测试，请使用真实硬件！ PLTsim 等模拟器专为（学术）硬件开发人员设计，他们希望在不花费数十万美元购买新芯片的情况下测试新硬件功能。

第二个问题：理论上是否可以在基于 x86 的硬件上实现硬 rtos？

当然理论上是可能的。您需要考虑所有情况下所有输入的每个代码段的绝对最坏情况。实际的问题是像Core 2这样的处理器非常复杂，处理器的状态是巨大的。此外，这些处理器并未设计为在时序方面具有确定性。一个非常硬的 RTOS 必须非常保守。最后，正如您正确观察到的那样，英特尔和 AMD 以外的人无法获得做出这些保守假设所需的所有信息。在实践中，传递最新最好的 cpu 并使用具有确定性时序的较旧、更简单的 cpu 是合理的。

另一方面，如果 RTOS 不需要非常严格的实时性，您总是可以只包括一些安全余量并希望最好。 ;-)

【参考方案2】：

这不是两个问题的答案；我只回答第二个。尽管总体而言 Mackie 的回答似乎更好，但请随意投票。

硬 RTOS 难以在 x86 上实现。一个可以扼杀 RTOS 承诺的特殊事物是 SMM，即系统管理模式。 CPU 在系统管理中断后进入它，它可能因不同的原因而触发 - 硬件故障，在某些特殊的 MMIO 位置写入，out 指令到某些特殊端口。您无法禁用它，您无法真正预测 SMI 何时发生，并且 SMI 处理程序可能需要很长时间才能完成。

基本上，您对 CPU 何时处于 SMM 状态一无所知，直到您的操作系统因长时间 CPU 处理 SMI 而出现故障。在某些特殊情况下，即使是非实时操作系统也可能成为问题，更不用说硬 RTOS。

还有this thread 可以为您提供更多关于 x86 上 RTOSing 的要点。

【参考方案3】：

在您链接的网站上有如下声明；

PTLsim 是用于 x86 和 x86-64 指令集的最先进的周期精确微处理器模拟器和虚拟机。

和

它直接在它所模拟的同一平台上运行（运行 Linux 的 x86-64 或 x86 机器）

我不清楚这与任何其他 x86 虚拟机技术（例如 QEMU、VirtualBox、VMWare 或 Virtual PC）有何不同，这些技术通过实际直接在硬件上运行指令（以及以核心速度运行）。是模拟器还是虚拟机？在我看来，它们不是一回事。例如，bochs 是模拟器而不是 VM，PTLsim 似乎介于两者之间？