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介绍

这是香山处理器的GEM5模拟器版本(XS-GEM5)，目前在SPEC CPU 2006基准测试上与昆明湖处理器性能相当。

项目特点

XS-GEM5是专门为香山处理器定制的GEM5模拟器，相比官方GEM5： - 主要支持全系统模拟（Full System Simulation），SE模式初步支持 - 支持香山特有的格式和功能 - 包含多个香山特有的功能增强

主要功能增强

XS-GEM5主要包含以下增强功能：

  1. 香山RVGCpt：RISC-V的跨平台全系统检查点
  2. 香山在线Difftest：用于在线检查执行结果的API

  3. Topdown性能计数器

  4. 前端微架构校准（与香山V3昆明湖对齐）

  5. 解耦前端设计
  6. TAGESC、ITTAGE和可选的Loop预测器（在SPECCPU上表现优于官方版本的LTAGE和TAGE-SCL）

  7. 指令延迟与昆明湖校准

  8. 后端微架构校准（与香山V3昆明湖对齐）

  9. 分布式调度器
  10. 调度/执行延迟校准

  11. RVV向量扩展大部分已校准

  12. 缓存层次结构优化

  13. 多种预取器算法：Stream + Berti/Stride + BOP + SMS + Temporal + CDP
  14. 主动/被动卸载框架
  15. 多预取器协调机制

  16. 所有预取器均支持VA-PA转换

  17. 其他架构增强

  18. 并行RV PTW（页表遍历器）
    • 行走状态合并
    • 支持RV-H的PTW和TLB
  19. 级联FMA
  20. 移动消除
  21. L2 TLB和TLB预取
  22. CSR修复
  23. 其他功能和性能bug修复

不支持的功能

XS-GEM5不支持以下功能：

  1. 无法运行Boom的裸机应用程序

  2. 我们只支持Abstract Machine裸机环境或香山的Linux系统

  3. 无法带difftest运行ELF文件

  4. 支持GEM5的系统调用模拟（什么是系统调用模拟）
  5. 支持QEMU的用户空间模拟（什么是用户空间模拟）

  6. 不支持带Difftest做验证的运行ELF文件，当前XS-GEM5 的Difftest(NEMU) 只支持全系统模拟，不支持SE模式

  7. 检查点不兼容

  8. 不能生成GEM5的SE检查点或m5检查点
  9. 不能运行GEM5的SE检查点或m5检查点
  10. 不推荐在M模式下生成检查点

使用注意事项

请避免以下操作：

  • 在未阅读文档的情况下提交新问题
  • 在未搜索问题列表的情况下提交新问题
  • 使用XS-GEM5运行Boom的裸机应用程序
  • 使用NEMU、XS-GEM5或香山处理器运行SimPoint bbv.gz，因为它不可引导
  • 在NEMU的问题列表中提出关于构建Linux的新问题，请前往香山文档

工作流程：如何运行工作负载

不使用检查点运行

运行工作负载的典型流程与NEMU、XS-GEM5和香山处理器类似。它们都只支持全系统模拟。为了准备全系统模拟的工作负载，用户需要构建裸机应用程序或在操作系统中运行用户程序。

graph TD;
am["使用AM构建裸机应用程序"]
linux["构建包含用户应用的Linux镜像"]
baremetal[/"裸机应用或操作系统镜像"/]
run["使用NEMU、XS-GEM5或香山处理器运行镜像"]

am-->baremetal
linux-->baremetal
baremetal-->run

使用检查点运行

对于企业用户和研究人员来说，他们更感兴趣在XS-GEM5上运行更大的工作负载，如SPECCPU。为了减少详细模拟的模拟时间，NEMU作为检查点生成器。生产和运行检查点的流程如下：

graph TD;
linux["构建包含NEMU trap应用和用户应用的Linux镜像"]
bin[/"包含Linux和应用程序的镜像"/]
profiling["使用SimPoint分析启动NEMU镜像"]
bbv[/"SimPoint BBV，一个.gz文件"/]
cluster["使用SimPoint聚类BBV"]
points[/"SimPoint采样点和权重"/]
take_cpt["启动NEMU镜像以生成检查点"]
checkpoints[/"检查点，内存镜像的几个.gz文件"/]
run["使用XS-GEM5运行检查点"]

linux-->bin
bin-->profiling
profiling-->bbv
bbv-->cluster
cluster-->points
points-->take_cpt
take_cpt-->checkpoints
checkpoints-->run

目录结构

.
├── configs/                # 配置文件目录
│   ├── example/           # 示例配置
│   │   └── kmhv3.py       # 昆明湖V3（KmhV3）配置（推荐入口）
│   └── common/            # 通用配置
├── src/                   # 源代码目录
│   ├── arch/             # 架构相关代码
│   │   └── riscv/        # RISC-V架构实现
│   ├── cpu/              # CPU相关代码
│   │   ├── o3/          # 乱序执行实现
│   │   └── pred/        # 分支预测器
│   └── mem/              # 内存系统相关代码
├── system/               # 系统相关代码
├── util/                 # 工具脚本
│   └── xs_scripts/       # 香山特有脚本
└── ext/                  # 外部依赖
    └── dramsim3/         # DRAMSim3内存模拟器

关键代码路径

1. 处理器配置

  • configs/example/kmhv3.py: 昆明湖V3（KmhV3）配置入口（推荐）
  • xiangshan.py（历史入口）：部分旧文档/脚本可能仍引用（本仓库以 kmhv3.py/idealkmhv3.py 为准）
  • configs/common/xiangshan.py: 香山/昆明湖全系统相关的通用配置与参数解析（例如 Difftest、Arch DB 等）

2. CPU核心实现

  • src/cpu/o3/: 乱序执行核心实现
  • cpu.cc: CPU核心的主要实现
  • fetch.cc: 取指单元
  • decode.cc: 解码单元
  • rename.cc: 重命名单元
  • dispatch.cc: 分发单元
  • issue.cc: 发射单元
  • execute.cc: 执行单元
  • writeback.cc: 写回单元

3. 分支预测器

  • src/cpu/pred/: 分支预测器实现
  • BTB-based：基于传统BTB的设计
  • 详细内容查看BranchPredictor.py 中的DecoupledBPUWithBTB 模块

4. 内存系统

  • src/mem/: 内存系统实现
  • cache.cc: 缓存实现
  • prefetch/: 预取器实现
  • page_table.cc: 页表实现

5. RISC-V架构支持

  • src/arch/riscv/: RISC-V架构实现
  • decoder.cc: 指令解码器
  • registers.cc: 寄存器实现
  • isa.cc: 指令集实现

使用说明

环境要求

  • Ubuntu 20.04/22.04
  • Python 3.8（推荐使用conda环境）
  • 其他依赖见README.md

构建步骤

  1. 安装依赖
  2. 克隆并构建DRAMSim3
  3. 构建GEM5
  4. 设置环境变量
  5. 运行模拟器

详细步骤请参考README.md中的说明。