命令セットシミュレータ

命令セット シミュレーター( ISS ) は、通常は高級プログラミング言語でコーディングされたシミュレーション モデルであり、命令を「読み取り」、プロセッサのレジスタを表す内部変数を維持することで、メインフレームまたはマイクロプロセッサの動作を模倣します。

命令シミュレーションは、次のようないくつかの理由のいずれかで採用される方法です。

• 将来のプロセッサの命令セット アーキテクチャ(ISA)をシミュレートして、ハードウェアの開発と製造が完了するのを待たずにソフトウェアの開発とテストを進めること。これは、ハードウェア開発の分野では「シフトレフト」または「プレシリコン サポート」と呼ばれることがよくあります。将来のハードウェア用の完全なシステム シミュレータまたは仮想プラットフォームには、通常、1 つ以上の命令セット シミュレータが含まれます。
• 上位互換性のために、別のハードウェア デバイスまたはコンピュータ全体のマシン コードをシミュレートします。

たとえば、IBM 1401 は、マイクロコードエミュレーションを使用して、後のIBM/360上でシミュレートされました。

• テストおよびデバッグの目的で、同じハードウェア上でマシン コード命令 (ただし、入力ストリームとして扱われる) を監視および実行します (例:メモリ保護(偶発的または意図的なバッファ オーバーフローから保護))。
• 低速のサイクル精度シミュレータと比較して、プロセッサ自体が検証対象要素の 1 つではないプロセッサ コアを含むシミュレーションの速度パフォーマンスを向上させるため。Verilog を使用したハードウェア記述言語設計では、ISS [要^{出典]など}のツールを使用したシミュレーションを「 PLI 」 (プログラミング言語であるPL/1と混同しないでください)によって高速に実行できます。

命令セット シミュレーターは、主に次の 3 つの手法を使用して実装できます。

• 解釈では、各命令が ISS によって直接実行されます。
• ジャストインタイム コンパイル (JIT) では、実行されるコードが最初にホスト コンピューターの命令セットに変換されます。これは通常、最適化されたインタープリターよりも約 10 倍高速です。
• 仮想化。仮想マシンのプロセッサ拡張機能を使用して ISS で命令を実行します。これは、x86 ホスト上での x86 シミュレーターの実行や、ARM ホスト上での ARM シミュレーターの実行など、同じ命令セット上の同じシミュレーションでのみ機能します。

ISS は、ソフトウェア エンジニアやプログラマがターゲット ハードウェアを入手する前にプログラムをデバッグできる ように、デバッガとともに提供される (またはそれ自体がデバッガである) ことがよくあります。GDBは、ISS が組み込まれているデバッガの 1 つです。 マイクロコントローラの動作を模倣するために、タイマー、割り込み、シリアル ポート、一般的なI/O ポートなどのシミュレートされた周辺回路と統合されることもあります。

基本的な命令シミュレーション手法は、目的に関係なく同じです。まず、ターゲット プログラムの名前を追加の入力パラメータとして渡して監視プログラムを実行します。

次に、ターゲット プログラムがメモリにロードされますが、制御がコードに渡されることはありません。代わりに、ロードされたプログラム内のエントリ ポイントが計算され、疑似プログラム ステータス ワード(PSW) がこの場所に設定されます。プログラム ステータス ワード (PSW) は、ステータス レジスタとプログラム カウンタで構成され、後者は次に実行される命令を示します。^{[1]したがって、この場所に割り当てられるのは具体的にはプログラム カウンタです。疑似}レジスタのセットは、プログラムに直接制御が与えられた場合に格納されるはずの内容に設定されます。

ハードウェアとオペレーティング システムによっては、他の疑似「制御ブロック」を指すようにこれらの一部を修正する必要がある場合があります。また、以前に追加されたプログラム名パラメータを「削除」するために、元のパラメータ リストをリセットする必要がある場合もあります。

その後、実行は次のように進行します。

1. 疑似 PSW 位置 (最初はターゲット プログラムの最初の命令) の命令の長さを決定します。プログラム内のこの命令オフセットが、以前に指定された一連の「一時停止」ポイントと一致する場合は、「一時停止」理由を設定し、7 に進みます。
2. 命令を元の位置から（必要な場合）モニターのメモリに「フェッチ」します。「トレース」が使用可能で「オン」の場合は、プログラム名、命令オフセット、およびその他の値を保存します。
3. 命令の種類に応じて、実行前チェックを実行して実行します。何らかの理由 (無効な命令、不正なモードなど) で命令を続行できない場合は、7 に進みます。命令がメモリを変更しようとしている場合は、メモリの宛先が存在し (このスレッドの場合)、十分な大きさであることを確認します。 OK の場合、適切な疑似レジスタを一時的な実レジスタにロードし、実レジスタを使用して同等の移動を実行し、トレースが「オン」の場合は変更されたストレージのアドレスと長さを保存して、4 に進みます。命令が「レジスタ間」操作の場合は、疑似レジスタをモニターの実レジスタにロードし、操作を実行して、それぞれの疑似レジスタに格納し直して、4 に進みます。命令が条件付き分岐の場合は、条件が満たされているかどうかを判断します。満たされていない場合は 4 に進み、条件が満たされている場合は、アドレスへの分岐を計算して有効かどうかを判断します (有効でない場合は、エラー = 「ワイルド ブランチ」に設定して 7 に進みます)。OK の場合は、5 に進みます。命令がオペレーティング システム コールの場合は、アドレスを「偽装」してモニター プログラムに制御を戻すことでモニター プログラムから実際の呼び出しを行い、呼び出しを反映するように疑似レジスタをリセットします。4 に進みます。
4. 現在の疑似 PSW 値に命令の長さを追加します。
5. 次のアドレスを疑似 PSW に格納します。
6. 1に進みます。
7. 実行を停止します。

テストとデバッグの目的で、監視プログラムは、レジスタ、メモリ、および再起動場所を表示および変更したり、ミニコア ダンプを取得したり、現在のデータ値を含むシンボリック プログラム名を印刷したりする機能を提供できます。新しい条件付き「一時停止」場所を許可したり、不要な一時停止を削除したりすることもできます。

命令シミュレーションは、実行前にエラーを検出する機会を提供します。つまり、状態は以前とまったく同じままであり、エラーによって破壊されることはありません。IBM S/360 の世界からの非常に良い例は、命令 シミュレーションモニターなしでデバッグを困難にする可能性がある次の命令シーケンスです。

     LM R14,R12,12(R13) r13 は誤って X"00" の文字列を指しています
     BR R14 により、PSW にプログラム チェック「操作例外」で X"0000002" が含まれるようになります。
* エラー時のすべてのレジスタには null が含まれます。

上記の基本的な「ループ」（フェッチ/実行/新しいアドレスの計算）を実行するための命令の数はハードウェアによって異なりますが、IBM S/360 /370/390/ES9000 シリーズのマシンでは、多くの命令タイプで約 12 または 13 命令で実行できます。有効なメモリ位置または条件付き「一時停止」のチェックによりオーバーヘッドが大幅に増加しますが、最適化技術によりこれを許容レベルまで削減できます。テスト目的では、命令ステップ、トレース、およびエラー ルーチンのテストへの意図的なジャンプ（実際のエラーがない場合）などの強力なデバッグ機能が提供されているため、これは通常、まったく問題ありません。さらに、完全な命令トレースを使用して、実際の（実行された）コード カバレッジをテストできます。

場合によっては、ターゲット プログラムの実行を監視すると、監視中には表示される (または消える) が実際の実行時には表示されないランダムエラーをハイライト表示できます。これは、監視プログラムが同じアドレス空間に物理的に存在するために、ターゲット プログラムが通常とは異なる場所にロードされる場合に発生することがあります。

ターゲット プログラムがメモリ内の「ランダムな」場所 (通常は「所有」していない場所) から値を取得する場合、その値は、ほぼすべての通常の状況でたとえば null (X"00") になる可能性があり、プログラムは正常に動作します。監視プログラムがロード ポイントをシフトすると、たとえば X"FF" を取得する可能性があり、比較操作中にロジックによって異なる結果が発生します。または、監視プログラムが現在、値が「取得」されているスペースを占有している場合、同様の結果が発生する可能性があります。

再入バグ: 「動的」スレッド メモリの代わりに誤って静的変数を使用すると、多くの状況で再入問題が発生する可能性があります。監視プログラムを使用すると、ストレージ保護キーがなくてもこれらの問題を検出できます。

不正な操作:一部のオペレーティング システム (またはハードウェア) では、オペレーティング システムへの特定の呼び出しに対してアプリケーション プログラムが正しい「モード」になっている必要があります。命令シミュレーションでは、実行前にこれらの条件を検出できます。

ホット スポット分析と命令の使用法シミュレーション中に実行された命令の数をカウントすることで (実際のプロセッサまたは監視されていない実行で実行された数と一致します)、シミュレーターは、アルゴリズムの異なるバージョン間の相対的なパフォーマンスの尺度を提供するだけでなく、プログラマーが最適化のターゲットとすることができる「ホット スポット」を検出するためにも使用できます。 この役割では、通常の実行ではこれらの統計を取得するのは簡単ではないため、パフォーマンス分析の一形態と見なすことができます。これは、その性質上、マシン コード命令の範囲を効果的に「隠す」高レベル言語プログラムに特に当てはまります。

これらのソフトウェアシミュレーターの一部は、アセンブリ言語や命令セットアーキテクチャの教育ツールとして引き続き使用されており、複数のシミュレーションレイヤーとISAからISAへのシミュレーションを使用して特別に設計されたものもあり、ISAを設計してシミュレートすることもできます。^[2]

ドナルド・クヌースは『The Art of Computer Programming』第1巻で次のように書いている。「著者の意見では、プログラマーの時間がこのような[機械語]シミュレーターの作成に費やされすぎており、またコンピュータの時間がそれを使用することで無駄にされすぎている。」^[3]しかし、次のセクションでは、著者はこのようなシミュレーターがデバッグの目的でトレースやモニタールーチンとしてどのように役立つかの例を示している。

テストとデバッグに使用される監視プログラムによるシミュレーションからの一般的なトレース出力:

プログラム        オフセット         命令            逆アセンブルされた             レジスタ/ストレージ（実行後）
テスト001 000000 X'05C0' BALR R12,0 R12=002CE00A
               000002 X'47F0C00E' BC 15,X'00C'(R12)    
               00000E X'98ECD00C' STM R14、R12、X'00C'(R13) X'002E0008' ==> X'00004CE、002CE008、など...'
               000012 X'45E0C122' バランス R14、X'122'(R12) R14=002C0016
SUB1 000124 X'50E0C28A' ST R14,X'28A'(R12) X'002CE294' ==> X'002C0016'
等...

シミュレーター

• ARMulator - ARM アーキテクチャ用の CPU シミュレーター。リファレンスおよびソフトウェア開発手段として ARM 自身によって提供されています。
• コンピュータアーキテクチャシミュレータ
• CPU Sim - ユーザーが命令セットを設計および作成し、そのセットからシミュレーションを通じて命令プログラムを実行できるようにする Java ベースのプログラム
• Gpsim - PIC マイクロコントローラシミュレータ
• INTERP/8 - Intel 8008 およびIntel 8080 用のINTERP/80。
• リトルマンコンピュータ- 命令セットシミュレータのシンプルな Java ベースの例
• MikroSim - 教育用途でマイクロコード レベルで命令セットを定義できる CPU シミュレーター
• VIP - 教育用途でマイクロコードレベルで命令セットを定義できるCPUシミュレーター
• OVPsim - 170 を超えるプロセッサの命令精度モデルを提供する CPU およびフル システム シミュレーター。ユーザー定義の命令セットを許可します。
• Saturn+ は、 2003年から2015年の間にARMベースのプロセッサを搭載した新しいHPグラフ電卓でRPLを実行するために強化されたSaturn CPUとシステムシミュレータです。
• Simics - 複雑な最新ハードウェアの完全なモデルを構築する、CPU およびフル システム シミュレーター フレームワーク。
• Simh - 1960 年代から開発されている、I/O を備えた完全な PDP-11 システムを含む 50 台以上の歴史的なコンピューターのシミュレーション。
• CPU-OS シミュレーター - RISC タイプの CPU とマルチスレッド オペレーティング システムを統合した教育用シミュレーター。

他の

• 計測（コンピュータプログラミング）
• メタプログラミング

• 「Mikrocodesimulator MikroSim 2010」。0/1-SimWare 。2010年12月6日閲覧。
• 「命令レベルのシミュレーションとトレース」
• Imperas Archived 2019-12-01 at the Wayback Machine は、 ARM、ARMv8、MIPS、MIPS64、PowerPC、RISC-V、ARC、Nios-II、MicroBlaze ISA の 170 種類を超えるプロセッサ バリアントの ISS を提供します。