エミュレーション

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はじめに

• エミュレータ
  • 実際の演算やメモリ・アクセス，システムコールなどの動作を実現する
• ここでは投機的/Out-of-orderにエミュレーションを実行するための仕組みについて説明

基本的なエミュレーションの仕組み

• 鬼斬では，シミュレータ側ドリブンでエミュレーションを実行する
  • シミュレータ側において，エミュレータより命令のOpコードやオペランド番号などの情報を取得し（デコード），
  • それらの情報と，演算に使用する値等のコンテキストを合わせてエミュレータに与える事によって，演算結果を得る

エミュレータ

• 主な役割
  • PCに対応した命令情報の取得
  • 演算の実行
  • システム・コールの再現
  • メモリ・イメージの管理保持

命令

• 命令を，動的な情報と静的な情報にわけて処理する
  • 静的な情報（OpInfo）
    • Opコード，オペランドの個数など
  • 動的な情報（OpStateIF）
    • レジスタ値や分岐方向などのコンテキストを格納する
    • エミュレータでは，静的な情報を用いてこれの更新を行う
    • PCもこっちに入る

実行の流れ

鬼斬では，シミュレータ側ドリブンでエミュレーションを実行する

• 命令の静的な情報の取得（デコード）
  • 命令アドレスに対応するマイクロ命令群を取得
    • Fetcher::Simulate() -> m_emulator->GetOp(pc)
• Out-of-Order実行
  • 静的な情報（opInfo）を元にして動的な情報（opState）を更新
    • opStateには，ソース・オペランドの値も入っている
    • OpExecuteEvent -> Op::Execute() ->Emulator::Execute( opState, opInfo )
• リタイア
  • ストアの場合，ストア・バッファからエミュレータ側メモリ・イメージへの反映を行う

投機実行

• 通常の演算命令（レジスタのみにアクセス）
  • レジスタについてはシミュレータ側でリネーミングや回復が行われるため，Out-of-Order に実行しても構わない
• メモリ・アクセスについては，シミュレータ側に実装されたストア・バッファによって投機が実現される
  • エミュレータ側が持つメモリ・イメージには確定状態のみが反映される
• システム・コールは不特定かつ複数のメモリ・ロケーションを操作しうるため，シリアライズして実行

メモリ・アクセスの投機実行

• 実装としては，エミュレーションの実現コード内からシミュレーション側に制御を戻すことにより実現
  • エミュレーション内からOpStateIF::Write/Read を呼ぶ
    • ストアの場合，エミュレーション側のメモリ・イメージに直接反映を行うのではなく，一旦ストア・バッファにいれる
    • ロードの場合，投機的に行われたストアの内容を考慮した値をシミュレータ側から戻す

ロード

1. Op::Execute() ->
2. (エミュレータ内のLoad実現コード) ->
3. OpStateIF::Read() ->
4. MemOrderManager::Read() -> # 場合によっては，ここでストアバッファから値を取得
5. m_emulator->GetMemImage()->Read()

ストア

ストアの動作は命令の実行とリタイアに分けられる

• 実行時

1. Op::Execute() ->
2. (エミュレータ内のStore実現コード) ->
3. OpStateIF::Write() ->
4. MemOrderManager::Write() #シミュレータ側のストアバッファに格納

• リタイア時

1. MemOrderManager::Commit() ->
2. m_emulator->GetMemImage()->Write() # ストアバッファから書き込み

システム・コール命令の実行

• システム・コール呼び出しの1命令によってシステム・コールによる動作を全て行ったかのように扱う
  • 依存元/先のメモリ・アドレスについてはわからないため，投機実行は行わずにシリアライズして実行する
• シリアライズ
  • システム・コール命令を実行する場合，常にコア内にシステム・コール命令が１つしかない状態に保つ
    • 上流の命令が全てリタイアするまで，システムコール命令をフェッチしない
    • コア内にシステム・コール命令があった場合，命令をフェッチしない