—251— 2007年10月 October 2007 计 算 机 工 程Computer Engineering 第33 第19期 Vol 卷.33 No.19 ·开发研究与设计技术· 文章编号：1000—3428(2007)19—0251—02 文献标识码：A 中图分类号：TN47 CMT 模拟器的设计与实现 杨 华，崔 刚，吴智博，刘宏伟 （哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院，哈尔滨 150001） 摘 要：片上多线程(CMT)是未来高性能处理器的发展方向，而软件模拟是处理器体系结构研究和设计中不可或缺的技术手段。该文基于SimpleScalar 工具集设计并实现了CMT 节拍级模拟器——OpenSimCMT ，对CMT 体系结构的设计和评测提供支持。OpenSimCMT 特点如下：(1)支持同时多线程(SMT)和片上多处理器(CMP)的模拟；(2)架构开放，配置灵活，可根据具体研究目标随时进行扩展，添加新的模拟内容及相关统计；(3)功能全面，对线程间资源竞争与共享、各功能单元、流水段、分支预测、多级cache 等全方位模拟，模拟结果准确。关键词：片上多线程；模拟；微处理器；高性能 Design and Implementation of CMT Simulator YANG Hua, CUI Gang, WU Zhibo, LIU Hong-wei (School of Computer Science and Technology, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001) 【Abstract 】Chip multithreading (CMT) represents the direction for future high-performance processors, and simulation is an integral part of the processor architecture research and design process. This paper presents the design and implementation of a SimpleScalar-based cycle-level simulator —OpenSimCMT, which serves for designing and evaluating the CMT architectures. OpenSimCMT features that: (1) supporting the simulation of simultaneous multithreading (SMT) as well as chip multiprocessors (CMP); (2) open framework and well configurable, being extendible to accommodate a given research goal, and readily to append new simulation contents and relative statistic; (3) all-around simulation, supporting inter-thread resource sharing and competition, various function units, pipeline, branch prediction, multi-level caches, etc, facilitating accurate simulation. 【Key words 】CMT; simulation; microprocessor; high-performance 1 概述 伴随晶体管集成密度的日益提高，处理器的发展将逐渐进入片上多线程(CMT)时代[1]。CMT 通过开发线程级并行(TLP)来克服指令级并行(ILP)的不足，显著提高了处理器的整体处理能力。同时多线程(SMT)[2]和片上多处理器(CMP)[3]是两类典型的CMT 体系结构，自提出以来就受到广泛的研究和关注。SMT 在宽发射超标量(superscalar)的基础上增加多个硬件线程上下文(hardware context)控制，使多线程同时“驻留”于处理器中，不同线程的指令可同时发射，竞争并共享处理器内部的各种资源，有效地提高了资源利用率和整体性能。CMP 将多个相同的处理核集成在同一芯片中，共享大容量L2(或更低)cache ，每个核可看作一个独立的处理器，分别运行不同的程序/线程。CMP 旨在简化处理器设计，将整个片上资源静态划分给多个独立的核，其缺点是各自的资源无法交叉利用，当TLP 不足时会严重浪费资源。相比之下，SMT 中大部分资源是“竞争式共享”，在TLP 和ILP 间动态转换，提高资源的整体利用率，但也增加了设计和实现的复杂度。 处理器的设计、实现和验证过程日益复杂。软件模拟已成为处理器的先期设计、验证和评估的关键一环，也是对新体系结构思想进行验证和量化评价的重要手段。模拟不但节省成本，而且非常灵活，帮助探索未知的设计空间，对不同的设计思路和配置选项进行效果评测。由于性能、功耗、造价、可靠性、兼容性、可扩展性等方面的限制和要求，高效实用的处理器体系结构通常来自对各种设计选项的权衡和取舍(trade-off)，这需要大量的先期模拟实验，是一个反复比较、 逐渐求精的过程。如果没有模拟器的支持，评测工作要等到 电路级设计(Verilog 验证、FPGA 仿真等)、甚至是实际芯片出来后才能进行，这是不切实际的。依赖于模拟器的详细程度和设计水平，模拟结果与实际会有不同程度的偏差，但这并不妨碍模拟器作为体系结构研究的重要技术手段、对各种设计选项进行相对客观的评测和比较。本文介绍了在CMT 研究过程所设计并实现的节拍级模拟器——OpenSimCMT 。 2 相关工作 SimpleScalar [4]是由Austin 设计的超标量处理器模拟工具集，包含指令行为验证(sim-safe)、分类统计(sim-profile)、分支行为(sim-brped)、cache 行为(sim-cache)、整体性能模拟(sim-outorder)等不同侧重点和详细程度的模拟；还包括与之配合的交叉编译工具，用于将高级语言程序(C 和Fortran)编译链接成Pisa 指令(类似MIPS ，用于研究目的)的可执行程序。由于SimpleScalar 的功能比较全面、开放源码、可移植性好(C 语言开发)等方面的优点，一直以来被学术界广泛地扩展和移植，作为新体系结构思想的验证和评测工具。目前为止，SimpleScalar 已发展到 4.0版(MASE)，而最广泛采用的仍是3.0版。除Pisa 外，还出现了支持Alpha 、ARM 、PowerPC 、IA-32等指令集的版本，并且被成功移植到多种UNIX 、Linux 和 基金项目：国家自然科学基金资助项目( 60503015) 作者简介：杨 华(1974－)，男，博士研究生，主研方向：片上多线程体系结构，容错处理器体系结构；崔 刚，教授、博士生导师；吴智博，博士、教授；刘宏伟，博士、副教授 收稿日期：2006-10-18 E-mail ：yangh@https://www.doczj.com/doc/7a6016951.html,
USB接口的RS485信号模拟器设计 引言USB总线是一种高效、快速、价格低、体积小、支持热插拔的串行通信接口，目前USB 这一接口形式在电子产品的设计中得到了广泛应用。本文所设计的RS485信号模拟器就是采用USB接口总线，可以很方便与PC机进行连接，并且USB接口可以为外界提供电源。 RS485是一种平衡方式传输的串行接口标准，它的电气特性标准中有严格规定，但它的通信协议可以由用户自行定义。本文将详细讨论USB总线信号与 RS485总线信号的相互转换，及PC机终端应用软件对USB接口芯片的各种操作。在此基础上用户可以根据不同需求，在终端应用软件中自行设计通信协议。1 总体设计信号模拟器主要包括USB接口芯片、单片机子系统、RS485与TTL电平转换子系统。它可以实现两个功能：a．信号模拟器通过应用程序软件设置串行通信参数和数据帧结构，最终输出的信号是指定串行通信参数和数据帧格式的RS485总线数据，可以为采集器提供标准信号源；b．在信号模拟器内部可以实现信号自反馈功能，即将实际发送给采集器的数据通过信号模拟器内部回环电路回送给终端应用程序软件并最终显示出来，以验证信号模拟器发送数据是否正确。USB接口芯片FT245R是将USB接口信号转换成8位并行信号，由MCU读取8位并行信号数据，然后MCU通过全双工的串口将读到的数据发送给 RS485电平转换电路1，这样输出的信号就是满足指定要求的标准RS485总线信号。将RS485电平转换电路1输出端信号反馈给RS485电平转换电路2的输人端，这样可以把RS485电平转换成TTL电平，再通过全双工的串口进行接收，最终将数据回送到终端应用程序软件。信号模拟器的设计总体框图。 2 硬件电路设计2．1 USB接口芯片FT245RFT245R由FTDI(Future Technology Devices Inte-national Ltd．)公司推出，该芯片主要完成USB串行总线和8位并行FIFO接口之间的相互协议转换。整个USB通信协议全部由芯片自动完成，开发者无须考虑底层固件的编程。该芯片利用内部集成的时钟电路进行工作，无须外部提供时钟；完全兼容USB2．O协议。它有256字节的接收缓冲区和128个发送缓冲区，可以进行数据的大吞吐量操作。通过8位并行数据口D[O：7]和4位读写状态／控制口RXF、TXE、RD、WR就可实现与微控制器的数据交换。下面介绍读写FT245R FIFO操作时序要求。(1)FT245R FIFO读操作读操作时序。当RXF 为低，表示当前FIFO接收缓冲区内有数据，可以执行读操作读取接收缓冲区数据。在RD电平由高变低，FIFO控制器将接收缓冲区中的数据输出到8位数据端口上，MCU此时只需读取I／O口就可以将数据取到内部数据总线上来，再将RD信号拉高完成1字节数据的读取。当将 FIFO接收缓冲区中的数据全部取出后，RXF被拉高表示数据为空。在RXF为高时，禁止从FIFO接收缓冲区读取数据。 (2)FT245R FIFO写操作写操作时序。当TXE为低，表示当前FIFO发送缓冲区空，可以向发送缓冲区写入数据。在WR为高电平时，MCU将8位数据D[0：7]送到并行I／O口上，在WR 信号电平由高变低时数据被写入发送缓冲区中。当TXE为高时，表示当前FIFO发送缓冲区已满或者正在写入上一个字节，此时禁止向发送缓冲区中写入任何数据。MCU向FT245R写入数据时应确保TXE为低。 2．2 单片机子系统单片机子系统包括单片机和上电复位芯片。本设计中采用的单片机是AT89S52。 AT89S52作为系统的中央处理器担负着系统和PC主机的通信、系统内各部件正常工作等重要任务。AT89S52这款单片机内部有看门狗电路，可防止程序陷入“陷阱”或跑飞。为了使单片机上电复位可靠，这里采用专门的复位芯片MAX708。2．3 RS485接口电路设计信号经过单片机的UART接口，再经过MAX485转换即构成了RS485通信接口。2．4 硬件电路图 USB接口可以向外提供电源。USB接口规范规定：可提供电源电压为4．75～5．25 V，低输出功率USB端口最大的输出电流为100mA。信号模拟器所需的供电
ILS/VOR模拟器的设计与实现 【摘要】本文介绍了仪表着陆系统（instrument landing system，ILS）、甚高频全向信标（Very-high-frequency Omnidirectional Range，VOR）系统的主要组成及系统工作原理，给出了一种小型化ILS/VOR模拟器的设计方案，详细介绍了模拟器的组成和各个功能单元的实现方案。 【关键词】仪表着陆系统；甚高频全向信标；模拟器；国际民航组织ICAO（International Civil Aviation Organization） 1.概述 甚高频全向信标，是一种用于航空的无线电导航系统，是民航应用最为普及的导航系统，其工作频段为108MHz～117.95MHz，信号的调制方式为调幅、调相，主要用于飞机的航路导航和非精密进近引导。系统由地面台和机载设备组成，地面台发射射频信号，机载设备接收信号并结算，为飞机提供相对于地面台的磁北方位。 ILS系统是国际民航组织（ICAO）选定的标准进近着陆系统，工作频率为75MHz、108.1MHz～111.95MHz、329.15MHz～335MHz，信号的调制方式为调幅，主要用于飞机的进场着陆引导，广泛应用军航和民航。系统由地面台和机载设备组成，机载设备接收信号并结算，为飞机提供相对于预定着陆轨迹的偏差信号和相对跑道入口的粗略距离信息。ILS/VOR模拟器模拟ILS/VOR系统地面台发射的射频信号，能同时提供航向地面台、下滑地面台、三通道指点信标地面台或伏尔地面台的模拟信号，主要用于机载ILS/VOR接收设备的检测、维修、维护以及ILS/VOR系统试验室的飞机着陆的动态激励仿真。 2.电路设计
基于BS的网络设备模拟器设计和开发
基于B/S的网络设备模拟器设计和开发 张展1 引言 随着计算机网络的高速发展,对各类网络人才的需求使得各类网络培训蓬勃发展。其中的网络设备操作培训需要使用昂贵的网络设备,这无论对培训机构还是对培训学员都是沉重的经济负担。用软件来模拟网络设备的工作过程是解决问题的途径之一。目前已经有了很多网络设备模拟器,其中比较好的有针对Cisco 的网络设备模拟器(如:NetSim) 和针对华为的网络设备模拟器( 如: Rou2teSim) ,前者的功能齐全,针对性强,而后者只能限于网络初学者,功能较为简单。这些网络设备模拟器多数是单机版的形式,并只针对一种类型的设备,常用于指定企业上岗培训。本设计根据高校计算机网络实践教学和培训的实际,设计开发一种基于B/ S 结构的网络设备模拟器,以实现多用户的同时使用和协作学习。模拟器还能实现同种类型设备的不同型号(CISCO ,华为等) 的互连和指令支持,实现通用设备,有利于培训学员全面掌握网络设备操作技能。 2 模拟器系统分析与设计 2. 1 模拟器概述 网络设备模拟器的是一种通过计算机软件技术模拟现实中的各类网络设备及其操作。利用软件进行模拟可以让学员在计算
机终端上完成模拟多台路由器、交换机的工作,而不用像在真实实验环境中那样不断地往返于不同设备间,频繁地切换端口接线,方便了网络实践课程的教学。另外用软件进行模拟,省去昂贵的设备采购和维护费用,节约了教学成本。 目前市场上的网络设备模拟器种类繁多,制作技术和难度也繁简不一。如华为的网络设备模拟器,他可支持的技术从以太网接入、各种路由协议的配置到安全认证非常全面,而模拟出的设备可以是一台,也可以是几十台,有时所模拟出的网络拓扑结构还可以达到电信级的规模。但他们同时存在着一些问题:首先不同厂商所开发的网络设备模拟器都是针对本产品的模拟,通用性上存在不足;其次都采用单机版结构,在一定程度上降低了可控制性,不利于分散培训;最后就是现有模拟器的可扩展和自配置性差,像华为模拟器就不允许用户自添加一些命令规则。 因此,针对网络培训需求,设计开发了基于B/ S模式的、能通用设备的、可扩展的网络设备模拟器。 2. 2 系统结构 模拟器系统采用浏览器/ 服务器(Browser/ Server) 架构(如图1) 。整合Web 210 技术,体现富互联网应用(RichInternet Application ,RIA) 思想,运用前台的Flash 应用程序与用户交互,丰富用户体验,增强系统可用性。后台从逻辑功能上分为Web 服务器和J ava 应用服务器:Web 服务器主要响应用户的Web 请求,包括注册、登录等;J ava应用服务器主