| 現(xiàn)在的程序員和系統(tǒng)架構(gòu)師有比以往更多的軟件可用于 SoC（單片系統(tǒng)）設(shè)計(jì),但也面臨著一個(gè)日益困擾他們的問題：如何在設(shè)計(jì)前期,在硅片拿到手以前評(píng)估和優(yōu)化軟件的性能。為解決這個(gè)問題,程序員們轉(zhuǎn)向虛擬平臺(tái),這種平臺(tái)采用軟件來對(duì)目標(biāo)硬件的架構(gòu)和功能建模。
當(dāng)設(shè)計(jì)師們小心地在其它軟件工具幫助下完成這個(gè)任務(wù)時(shí),這些平臺(tái)被證明是有效的方法,可以對(duì)很多重要性能的度量做出早期評(píng)估,如有關(guān)嵌入軟件功能好壞及其與現(xiàn)有硬件的互相影響。虛擬平臺(tái)可以預(yù)測(cè) CPU 效率、數(shù)據(jù)傳輸率以及緩存失中率、中斷等待時(shí)間、功能性熱點(diǎn),以及其它性能的度量。
為了便于理解和體會(huì)虛擬平臺(tái)的性質(zhì)與價(jià)值,考慮這樣一個(gè)例子：評(píng)估一個(gè) USB 系統(tǒng)軟件棧的性能。開發(fā)者的選擇是有相當(dāng)?shù)睦碛?因?yàn)?USB 2.0 有 480 Mbps 的傳輸速率,是承載實(shí)時(shí)音、視頻數(shù)據(jù)的常見選擇。因此,USB 在多媒體產(chǎn)品中得到日益廣泛的應(yīng)用,如機(jī)頂盒和手機(jī)。
由于 USB 的互動(dòng)中包含有復(fù)雜的協(xié)議和軟、硬件之間大量的相互依賴,因此特別需要這種平臺(tái)的幫助。這種情況下,不僅要求軟件架構(gòu)盡早確認(rèn) USB 系統(tǒng)軟件,而且要估算出軟件在 CPU 上的負(fù)載,此外還有中斷等待時(shí)間的影響,從而保證 USB 確實(shí)是一個(gè)可行的選擇。
這種性能預(yù)估要求虛擬平臺(tái)能夠?qū)?shí)際硬件功能,包括處理器、緩存和系統(tǒng)內(nèi)存、USB 外設(shè)、USB EHCI（擴(kuò)展型主控制器接口）,以及 USB 設(shè)備等,建立非常接近的模型。此外,還需要一個(gè)剖析工具來尋找軟件棧中的功能熱點(diǎn),精確地預(yù)測(cè)出完成功能所需時(shí)間。開發(fā)人員用平臺(tái)得到的結(jié)果,與理論預(yù)測(cè)值做對(duì)照調(diào)整,而平臺(tái)也可以檢驗(yàn) USB 棧在實(shí)際硬件上實(shí)現(xiàn)性能的穩(wěn)定性。另外,當(dāng)開發(fā)人員修改軟件棧時(shí),平臺(tái)還可以精確地反映出性能的變化。
在本例中,設(shè)計(jì)師想出一種評(píng)估 USB 系統(tǒng)軟件棧性能的方法,該軟件棧運(yùn)行在嵌入機(jī)頂盒芯片中的 DVR（數(shù)字視頻錄像機(jī)）子系統(tǒng)中。DVR 含有一個(gè)錄/放音、視頻數(shù)據(jù)流的 USB 硬盤驅(qū)動(dòng)器。USB 軟件棧包括一個(gè)單線程 DVR 應(yīng)用實(shí)例,它用驅(qū)動(dòng)器完成一系列讀、寫操作。
功能平臺(tái)非常詳盡地模仿 DVR 硬件的運(yùn)作,揭示出重要的時(shí)序參數(shù)。特別是該平臺(tái)建立了一個(gè) USB 主控制器、硬盤驅(qū)動(dòng)器和系統(tǒng)內(nèi)存與緩存的模型。平臺(tái)有一個(gè)新穎的功能,它含有一個(gè)用 SystemC 寫成的事務(wù)級(jí)模型,以此證明該方案能夠用于建立評(píng)估復(fù)雜嵌入軟件的虛擬平臺(tái)。開發(fā)人員一般采用 RTL（寄存器傳輸級(jí)）模型建立系統(tǒng)硬件的模型,與事務(wù)級(jí)模型相比,這種方法的抽象層次較低。
平臺(tái)設(shè)置
虛擬平臺(tái)包括一個(gè) USB 2.0 EHCI、一個(gè) USB 硬盤驅(qū)動(dòng)器、一個(gè)緩存仿真器、一個(gè)主處理器指令集仿真器,以及系統(tǒng)內(nèi)存。USB 2.0 EHCI 模仿主控制器的功能,提供 480 Mbps 數(shù)據(jù)速率下的精確時(shí)序值,以及基于內(nèi)存模型的內(nèi)存訪問時(shí)間,還有 EHCI 寄存器的讀、寫時(shí)間。EHCI 亦作為一個(gè) DMA 主控,可以不通過緩存訪問系統(tǒng)內(nèi)存。
為了跟蹤所有的指令與數(shù)據(jù)存取,USB 軟件棧運(yùn)行在一個(gè)在事務(wù)級(jí)硬件模型上建立的指令集仿真器上。指令與數(shù)據(jù)記錄通過虛擬平臺(tái),測(cè)量CPU使用率、緩存失中率以及中斷等待時(shí)間等。另外,用一個(gè)高度可配置、可擴(kuò)展和模塊化的剖析工具 Flexperf 判別功能熱點(diǎn),幫助完成軟件棧的排錯(cuò)。
系統(tǒng)在尋址硬盤驅(qū)動(dòng)器時(shí)是按照劃分為扇區(qū)的 I/O 文件,符合海量存儲(chǔ)設(shè)備規(guī)格,包括USB實(shí)施者論壇的“bulk-only”規(guī)格。于是,它可以通過端點(diǎn) 0 執(zhí)行所有標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備請(qǐng)求。它還可以執(zhí)行一個(gè) SCSI 命令的子集,通過端點(diǎn) 1 和 2 與 DVR 相關(guān)。
緩存仿真器對(duì)一個(gè)可配置的緩存建模,該仿真器包括一個(gè)環(huán)繞式處理程序 Dinero 、一個(gè)追蹤驅(qū)動(dòng)的開放源緩存仿真器。作為系統(tǒng)處理器,圍繞指令集仿真器的處理程序?yàn)橐粋�(gè) 216 MHz STMicroelectronics C2 CPU 內(nèi)核建模。仿真器將處理器的內(nèi)存訪問轉(zhuǎn)換為事務(wù)級(jí)模型。開發(fā)者將系統(tǒng)內(nèi)存建模為一個(gè) RAM 陣列,所有模型的連接都通過一個(gè)大體上基于 ARM AHB（先進(jìn)高性能總線）的精確事務(wù)通道和一個(gè)開發(fā)者在 USB 上松散建模的通道。
調(diào)用該平臺(tái)對(duì)軟件性能參數(shù)的評(píng)估是一個(gè)分兩步走的過程（圖 1）。第一步,USB 棧運(yùn)行在 ST20指令集仿真器上。這個(gè)過程生成一個(gè)追蹤文件,它記錄了所有的指令內(nèi)存和數(shù)據(jù)內(nèi)存訪問,以及硬件啟動(dòng)的任何中斷。第二步,有一個(gè)流量發(fā)生器對(duì)追蹤文件進(jìn)行語法分析,并在一個(gè)精確事務(wù)的通道上生成等效的事務(wù)級(jí)操作。 
兩步走的評(píng)估過程體現(xiàn)出芯片設(shè)計(jì)的一般步驟。在第一步中,設(shè)計(jì)師將設(shè)計(jì)分解為獨(dú)立的功能塊,它們并行運(yùn)行實(shí)現(xiàn)所需的應(yīng)用功能。因此,第一個(gè)平臺(tái)只包括功能模型,而沒有參考時(shí)
間。設(shè)計(jì)師用相同的功能塊,可以有不同的實(shí)現(xiàn)方法（主要是時(shí)序和性能模型）,這就是第二步完成的任務(wù)。這個(gè)方案可以讓用戶使用一組相同的基準(zhǔn)功能,嘗試各種微架構(gòu)的實(shí)現(xiàn)。
結(jié)果就是一個(gè)基于 SystemC 的公共平臺(tái),它沒有外部依賴性,SystemC 仿真器的時(shí)間作為評(píng)估性能的基準(zhǔn)。同樣,系統(tǒng)將指令與數(shù)據(jù)內(nèi)存抽象成為 SystemC 事務(wù)級(jí)模型,準(zhǔn)確地仿真訪問時(shí)間。這種兩步走方案還簡化了緩存仿真器與流量發(fā)生器的連接,這是一種在硬件上對(duì)緩存影響建模的方法。
性能參數(shù)
虛擬平臺(tái)生成的性能值是從運(yùn)行應(yīng)用程序的 SystemC 仿真器上獲得的總時(shí)間,相當(dāng)于在實(shí)際硬件上運(yùn)行的總時(shí)間。應(yīng)用程序的運(yùn)行時(shí)間依次與指令訪問時(shí)間以及與 EHCI、緩存和其它功能相關(guān)的等待時(shí)間有關(guān)。從這些值中,可以確定重要的性能度量,如 CPU 占用率、數(shù)據(jù)傳輸率、緩存失中率,以及中斷的次數(shù)。
當(dāng)然,CPU 占用率是評(píng)估棧性能的最重要參數(shù),它是 CPU 在執(zhí)行軟件棧時(shí)所花費(fèi)時(shí)間的百分比。它表示 CPU 無法運(yùn)行其它應(yīng)用程序的時(shí)間。但是,要確定 CPU 占用率,必須首先確定并減掉 CPU 空閑時(shí)間。空閑時(shí)間是軟件棧在空閑線程上花費(fèi)的時(shí)間,此時(shí)它等待一個(gè)硬件產(chǎn)生的中斷。這個(gè)空閑時(shí)間發(fā)生在樣例 DRV 應(yīng)用程序向硬盤提交一個(gè)數(shù)據(jù)塊或從硬盤讀出一個(gè)數(shù)據(jù)塊以后,但在開始下一個(gè)傳輸?shù)挠布袛喟l(fā)生之前。必須將此時(shí)間從總時(shí)間中減去,因?yàn)閲?yán)格來說,在這個(gè)時(shí)間內(nèi),USB軟件棧并不占用CPU。
在這個(gè)點(diǎn)上,可以調(diào)用 Flexperf 剖析工具來測(cè)量 CPU 花費(fèi)在空閑線程上的時(shí)間。將輸入追蹤文件以及一個(gè)映像文件饋送給剖析工具,前者中包含程序計(jì)數(shù)器和相應(yīng)的時(shí)間。映像文件定義了與空閑線程功能有關(guān)的起始和終止地址。從這些輸入內(nèi)容中,剖析工具可以計(jì)算出在空閑線程上花費(fèi)的時(shí)間,接下來就可以從CPU時(shí)間中減去這些空閑時(shí)間,獲得準(zhǔn)確的CPU占用率數(shù)字。
還可以將通過USB的總數(shù)據(jù)量（包括控制、批量和協(xié)議信息）除以運(yùn)行應(yīng)用程序的總仿真時(shí)間,計(jì)算出通過USB的數(shù)據(jù)傳輸率。但是,USB2.0的480 Mbps速率只是一個(gè)理論最大值。由于協(xié)議開銷問題加上從系統(tǒng)內(nèi)存獲取計(jì)劃表和數(shù)據(jù)也要消耗時(shí)間,尤其是當(dāng)EHCI緩存較小時(shí),所以實(shí)際的數(shù)據(jù)速率要低得多。軟件將數(shù)據(jù)提交給硬件的速率亦會(huì)限制數(shù)據(jù)的速率。
當(dāng)你提供有內(nèi)存流量信息的 Dinero開放源緩存仿真器時(shí),它會(huì)生成有關(guān)指令、數(shù)據(jù)和總失中率的統(tǒng)計(jì)數(shù)字。從這個(gè)數(shù)據(jù)中,可以確定最佳的緩存配置。為了在ST20主處理器追蹤文件中記錄中斷的次數(shù),可以累計(jì)ST20回繞式處理器捕獲的中斷數(shù)。從這些基本性能數(shù)字可以得到一些其它參數(shù),包括指令集仿真器報(bào)告的執(zhí)行指令總數(shù)、CPU的執(zhí)行時(shí)間（總時(shí)間減去空閑時(shí)間）、CPU的總指令執(zhí)行時(shí)間,以及總CPU讀、寫時(shí)間。
本例中虛擬平臺(tái)獲得的性能結(jié)果是超出了本文討論范圍的數(shù)學(xué)推導(dǎo)。但是,這些推導(dǎo)的內(nèi)容包含最大 SCSI 緩沖、讀/寫操作時(shí)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量、系統(tǒng)軟件為中斷服務(wù)花費(fèi)的時(shí)間,以及處理與硬盤驅(qū)動(dòng)器有關(guān)的 SCSI命令的時(shí)間等之間的關(guān)系。
使用虛擬平臺(tái),可以得到塊的大小、總數(shù)據(jù)傳輸量、緩存參數(shù)、數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制、棧尺寸、CPU占用,以及其它重要的性能數(shù)據(jù)等結(jié)果。通過虛擬平臺(tái)的預(yù)測(cè)與硬件結(jié)合起來,可以極大地簡化開發(fā)確定過程。
例如,虛擬平臺(tái)表明增加塊大�。疵看巫x、寫操作時(shí)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量）可以降低CPU占用率（表1）。但是,塊越大,降低的程度越少。平臺(tái)亦預(yù)測(cè)CPU使用率會(huì)隨數(shù)據(jù)傳輸量的增加而下降。平臺(tái)作這些預(yù)測(cè)的前提是采用216 MHz的ST20-C2內(nèi)核,10 ns緩存命中等待時(shí)間,160 ns 的單字內(nèi)存訪問時(shí)間,以及可在等待硬件中斷前緩沖最多256kB數(shù)據(jù)。該平臺(tái)亦假定緩存模型含有8kB、雙向、組合式指令與數(shù)據(jù)緩存,每個(gè)有16B的塊。另外,它還假定USB的傳輸速率為80 MB/s。 
出人意料的是,平臺(tái)指出緩存大小對(duì) USB 棧的性能影響不大。一次實(shí)驗(yàn)改變了主要緩存的參數(shù),如大小、組合以及塊大小。雖然不同參數(shù)對(duì)整個(gè)應(yīng)用程序的請(qǐng)求丟失有很大的差異,但對(duì) CPU 占用率的影響不明顯。在這個(gè)仿真階段,用初始化的 CPU 時(shí)間（包括設(shè)備計(jì)數(shù)）減去運(yùn)行應(yīng)用程序的總 CPU 時(shí)間,得到 CPU 占用率。結(jié)果清楚地顯示,硬盤的讀、寫操作包括對(duì)指令內(nèi)存和數(shù)據(jù)內(nèi)存的正常訪問,即由于讀、寫操作在時(shí)間和空間上的高度本地化,對(duì)硬盤驅(qū)動(dòng)的丟失的總次數(shù)近似為恒定,而與緩存參數(shù)的變化無關(guān)。
表2總結(jié)了不同緩存大小的結(jié)果。在所有情況下（組合為2,塊尺寸為16kB）,指令緩存和數(shù)據(jù)緩存都是一樣的。表3顯示同為16kB、8kB緩存不同組合值的結(jié)果。表4則是組合為2,塊大小為8kB緩存的結(jié)果。
這些結(jié)果均假定有一個(gè)5ns的緩存命中等待時(shí)間,四個(gè)字訪問,每個(gè)字花費(fèi)時(shí)間為
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