沈凡凡，徐 超，張 軍，何炎祥

（1. 南京審計大學 信息工程學院，江蘇 南京 211815；2. 東華理工大學 軟件學院，江西 南昌 330013；3. 武漢大學 計算機學院，湖北 武漢 430072）

在計算機體系結構課程實驗教學中，緩存體系結構設計采用計算機硬件實驗平臺、實驗箱、開發(fā)板，通過簡單的模擬實驗完成。然而，因為在硬件平臺無法修改已有硬件體系結構，所以要從深層次理解緩存存儲體系結構及其實現(xiàn)原理，僅利用硬件平臺進行實驗是遠遠不夠的，需要借助模擬仿真器進行實驗。

Gem5 是一款優(yōu)秀的計算機系統(tǒng)結構模擬器。為了方便學生快速掌握該模擬器的使用方法，本文在分析Gem5 模擬器緩存存儲體系結構和原理的基礎上，提出多組利用Gem5 模擬器構建緩存存儲體系結構的實驗方法[1-2]。

1 Gem5 模擬器簡介

Gem5 模擬器是一款高度可配置、集成多種指令集和多種CPU 模型的體系結構模擬器[3]，它是集M5模擬器[4]和 GEMS 模擬器[5]中最優(yōu)秀的部分而形成的。M5 模擬器是美國密西根大學開發(fā)的模擬架構，主要用于多種指令集和多種CPU 模型的模擬；GEMS模擬器由美國威斯康星大學開發(fā)的，能夠靈活、詳細地模擬存儲器的層次結構，包括緩存一致性協(xié)議和片上網(wǎng)絡等。

Gem5 目前支持多種指令集架構，并能在Alpha、ARM、SPARC 和X86 上進行全系統(tǒng)模擬。Gem5 可以加載操作系統(tǒng)，具備模擬亂序執(zhí)行、分支預測、多核多線程、存儲體系結構和片上網(wǎng)絡等多種微體系結構[6-8]，支持 classic 和 Ruby 存儲模型，支持 Atomic Simple、Timing Simple、InOrder 和 O3 CPU 模型，可以在全系統(tǒng)模式（full system，F(xiàn)S）和系統(tǒng)調用模式（syscall emulation，SE）下執(zhí)行，如圖1 所示。

圖1 CPU 模型和存儲模型

Gem5 的源代碼遵循BSD 開源協(xié)議，用戶可以修改和重新發(fā)布代碼。Gem5 擁有友好的使用文檔和社區(qū)支持，非常有利于高校學生學習和使用[9]。

2 Gem5 模擬緩存存儲系統(tǒng)原理分析

2.1 Gem5 模擬器和源代碼結構

圖2 為Gem5 模擬器源代碼結構。build_opts 定義了 ARM、X86 和 RISCV 等體系結構的默認設置。configs 包含一系類模擬器配置腳本文件，主要用Python 編寫，是修改模擬器配置文件參數(shù)的關鍵部分，會經常用到。ext 依賴于Gem5 但不是Gem5 的一部分，一般很少用到。src 是Gem5 源代碼的關鍵部分，包含計算機體系結構各部分的詳細代碼，其中$GEM5_DIR/src/mem/cache 是本文緩存存儲體系實驗所必須掌握的部分，也是需要重點關注的部分。system 描述模擬系統(tǒng)的固件和引導信息。tests 包含回歸測試程序。util 包含常用腳本和一些輔助程序[7,10]。

圖2 Gem5 模擬器源代碼結構

Gem5 編譯安裝成功后，會生成 build 和 m5out文件夾。模擬器運行的測試結果和配置信息將記錄在m5out 文件夾中。

2.2 Gem5 初始化函數(shù)調用序列

要使用Gem5 模擬器，首先必須理解Gem5 的工作原理和執(zhí)行流程，其次是根據(jù)需要修改對應的模塊。Gem5 初始化函數(shù)調用過程[11]如圖 3 所示。當在模擬器中運行 hello 程序（$GEM5_DIR/build/ARM/gem5.opt configs/example/se.py -c tests/test-progs/hello/bin/arm/linux/hello）時，Gem5 模擬器執(zhí)行的入口函數(shù)在$GEM5_DIR/src/sim/main.cc 文件中；然后依次調用m5Main 函數(shù)進行初始化，調用PyRun_String 函數(shù)傳入SE 模式和二進制文件；在SE 模式下運行二進制文件，其中涉及 System 函數(shù)和 Simulation.run 函數(shù)：System 函數(shù)初始化硬件配置信息，Simulation.run 啟動模擬過程。最后初始化C++構造函數(shù)。

圖3 Gem5 初始化函數(shù)調用過程

若要深入學習和修改某個模塊時，如CPU 或存儲模塊，需要閱讀該模塊代碼，理解其執(zhí)行和訪問流程，根據(jù)需要修改相關代碼完成模擬實驗。

2.3 緩存存儲體系源碼分析

為探討緩存存儲系統(tǒng)的實驗方法，需要重點關注Gem5 模擬器中的$GEM5_DIR/src/mem/cache 文件夾中的文件，包括 tags、replacement_policies、prefetch等描述信息。tags 中描述了組相連的信息；replacement_policies 中描述了緩存替換策略，包括LRU、FIFO 和BIP 等算法；prefetch 描述了緩存數(shù)據(jù)預期的方法。

在緩存模塊中，首先分析cache_blk.hh 文件，理解緩存的組織結構；然后分析base.cc 文件，理解緩存的訪問控制流程；最后分析lru_rp.cc 文件，理解緩存的替換策略的實現(xiàn)方式。在實驗過程中，可以根據(jù)需要修改緩存體系結構以及緩存訪問控制方法。

3 基于 Gem5 模擬器的緩存存儲體系實驗方案

3.1 CPU 參數(shù)配置

在Gem5 中，通過參數(shù)命令可以指定CPU 的配置，例如配置 2 核 1 GHz、4 核 2 GHz 的 CPU，涉及-n 和--cpu-clock 選項。

（1）配置 2 核 CPU：$GEM5_DIR/build/ARM/gem5.opt$GEM5_DIR/configs/example/se.py -n 2 --cpu-clock=1 GHz

（2）配置 4 核 CPU：$GEM5_DIR/build/ARM/gem5.opt$GEM5_DIR/configs/example/se.py -n 4 --cpu-clock=2 GHz

3.2 緩存配置

在Gem5 中，有2 種方法可以配置緩存：一是在配置文件中直接修改對應的參數(shù)值$GEM5_DIR/configs/common/Caches.py，這種方法比較直觀；二是通過參數(shù)命令指定，比如配置二級緩存的容量和組相聯(lián)度，可通過--l2_size 和--l2_assoc 選項指定，具體如下：

（1）128 KB、8 路組相連。

$GEM5_DIR/build/ARM/gem5.opt$GEM5_DIR/co nfigs/example/se.py--caches --l1d_size=32kB --l1d_assoc=2 --l1i_size=32kB --l1i_assoc=2--l2cache --l2_size=128kB --l2_assoc=8

（2）256 KB、16 路組相連。

$GEM5_DIR/build/ARM/gem5.opt$GEM5_DIR/co nfigs/example/se.py--caches --l1d_size=32kB --l1d_assoc=2 --l1i_size=32kB --l1i_assoc=2 --l2cache --l2_size=256kB --l2_assoc=16

3.3 基準測試程序配置

在Gem5 中，可以配置不同的基準測試程序，用于評價實驗的效果。例如采用PARSEC 測試集[12]中的streamcluster，可以采用如下腳本命令實現(xiàn)，關鍵選項為--script：

$GEM5_DIR/build/ARM/gem5.opt

$GEM5_DIR/configs/example/fs.py

--kernel=$BINARY_DIR/vmlinux.vexpress_gem5_v1_64--script= $GEM5_DIR/streamcluster_16c_simsmall_ckpts.rcS

3.4 緩存源代碼修改示例

以獲取緩存讀操作的訪問信息為例，可通過如下步驟實現(xiàn)。

步驟一： 在文件$GEM5_DIR/src/mem/cache/SConscript 中添加 DebugFlag('myflag')；

步驟二： 在文件$GEM5_DIR/src/mem/cache/base.cc 中添加 #include debug/myflag.hh，然后在access 函數(shù)中添加一下語句：

步驟三：在 Gem5 運行命令中添加調試選項—debug-flag=myflag，即可獲取緩存讀操作的訪問信息。

4 實驗性能測試

Gem5 模擬器的緩存存儲體系實驗性能測試參數(shù)配置如下：

（1）處理器。配置為 2 核 CPU，ARM 架構，主頻800 MHz，每個CPU 包含，1 個一級私有緩存和1個共享二級緩存。

（2）一級私有緩存。容量32 KB，4 路組相連，訪問時間為1 個周期，LRU 緩存替換算法。

（3）二級共享緩存。容量為512 KB，8 路組相連，訪問時間為8 個周期，LRU 緩存替換算法。

（4）主存。主存大小為256 MB，訪問時間為65個周期。

使用PARSEC 測試集[12]對實驗性能進行了測試。使用simsmall 作為輸入集。

在Gem5 目錄下執(zhí)行如下腳本命令：

在$GEM5_DIR/m5out/stats.txt 文件中記錄著測試程序運行的時間，其結果如表1 所示。

表1 測試程序執(zhí)行時間

從以上測試結果可以看出：每個測試程序所需的執(zhí)行時間不同，x264 執(zhí)行的時間最長，需要4.45 s；blackscholes 執(zhí)行的時間最短，只需要0.37 s。每當修改緩存存儲體系結構時，系統(tǒng)的性能也將隨之改變。因此在實驗的過程中要合理地配置參數(shù)和修改緩存存儲體系結構。

5 結語

本文提出的基于Gem5 模擬器的緩存存儲體系實驗方法，為計算機存儲系統(tǒng)的學習提供了一種低成本、高效率的實驗操作方案。學生可以在學校的實驗室中安裝 Gem5，也可以離開實驗室在自己的臺式機或筆記本上安裝 Gem5，從而降低了學習門檻，提高了學生實踐的靈活性，為計算機存儲體系結構的理論和實驗教學提供了新途徑。