在SoC設(shè)計(jì)中用SystemC虛擬平臺預(yù)覽USB的性能
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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)，這些平臺被證明是有效的方法，可以對很多重要性能的度量做出早期評估，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。虛擬平臺可以預(yù)測 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)虛擬平臺的性質(zhì)與價(jià)值，考慮這樣一個(gè)例子：評估一個(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，
這種性能預(yù)估要求虛擬平臺能夠?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)測出完成功能所需時(shí)間。開發(fā)人員用平臺得到的結(jié)果，與理論預(yù)測值做對照調(diào)整，而平臺也可以檢驗(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。平臺有一個(gè)新穎的功能，它含有一個(gè)用 SystemC 寫成的事務(wù)級模型，以此證明該方案能夠用于建立評估復(fù)雜嵌入軟件的虛擬平臺。開發(fā)人員一般采用 RTL（寄存器傳輸級）模型建立系統(tǒng)硬件的模型，與事務(wù)級模型相比，這種方法的抽象層次較低。
平臺設(shè)置
虛擬平臺包括一個(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，測量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)用該平臺對軟件性能參數(shù)的評估是一個(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)級操作。
兩步走的評估過程體現(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，它沒有外部依賴性，SystemC 仿真器的時(shí)間作為評估性能的基準(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緩存影響建模的方法。
性能參數(shù)
虛擬平臺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
在這個(gè)點(diǎn)上，可以調(diào)用 Flexperf 剖析工具來測量 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，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。通過虛擬平臺的預(yù)測與硬件結(jié)合起來，可以極大地簡化開發(fā)確定過程。
例如，虛擬平臺表明增加塊大小（即每次讀、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。平臺亦預(yù)測CPU使用率會(huì)隨數(shù)據(jù)傳輸量的增加而下降。平臺作這些預(yù)測的前提是采用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，平臺指出緩存大小對 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)對整個(gè)應(yīng)用程序的請求丟失有很大的差異，但對 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160 ns。
緩存大小對CPU效率的影響很小，與此相反，EHCI 將數(shù)據(jù)移入、移出內(nèi)存的方式之間則有很大不同?？截愓Z義學(xué)（copy-semantics）方法將數(shù)據(jù)從緩存區(qū)移到一個(gè)EHCI可訪問的非緩存區(qū)。非拷貝語義學(xué)（Noncopy semantics）則假設(shè)EHCI可以訪問包含所需數(shù)據(jù)的內(nèi)存區(qū)。在這種方法中，內(nèi)存區(qū)是未經(jīng)緩存的，傳給EHCI 的是一個(gè)指向內(nèi)存位置的直接指針。
這兩種機(jī)制的性能數(shù)字有著很大的差異，因?yàn)樵诜强截愓Z義學(xué)情況下，不用將數(shù)據(jù)從一個(gè)內(nèi)存區(qū)拷貝到另一個(gè)內(nèi)存區(qū)，這就省去了所有的移動(dòng)指令，當(dāng)移動(dòng)大量數(shù)據(jù)時(shí)極大地減輕了工作量。例如，當(dāng)重復(fù)64次以 256kB傳送32MB數(shù)據(jù)時(shí)，虛擬平臺顯示的數(shù)據(jù)速率和CPU占用率，拷貝語義學(xué)方式分別為5051 kB/s和6%，而非拷貝語義學(xué)方式分別為7700kB/s和40%。
在評估棧大小的效果時(shí)，一般預(yù)測認(rèn)為較小的棧會(huì)減少CPU占用，而虛擬平臺得到與直覺相反的結(jié)果（表5）。除CPU占用以外，表中顯示較大的棧還會(huì)增加一個(gè)應(yīng)用程序執(zhí)行的指令數(shù)。
但是，修改堆的大小時(shí)結(jié)果保持不變。（堆是一個(gè)內(nèi)存區(qū)，應(yīng)用軟件可以作直
雖然虛擬平臺得到了有希望的結(jié)果，但它仍與硬件的工作有不一致的地方。例如，ST20 處理器流量發(fā)生器的模型過于簡單。它假定每條指令的執(zhí)行階段都是一個(gè)恒定的平均時(shí)間，但事實(shí)并不總是這樣。此外，流量發(fā)生器建模時(shí)既無處理器流水線停頓也無任何流水線停頓的情況。不過，這些因素之間有些相互抵消，得到的結(jié)果還算準(zhǔn)確。
現(xiàn)在的工作重點(diǎn)集中在建立更復(fù)雜平臺和開發(fā)無縫的方法上，用于評估任何軟件棧的性能。例如，正在進(jìn)行的是虛擬平臺與Flexperf這種剖析工具相結(jié)合，使軟件編程人員和系統(tǒng)架構(gòu)師有一個(gè)統(tǒng)一的方法，能夠評估并增強(qiáng)嵌入式代碼的性能。
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