Симулятор — программное средство, способное имитировать работу микроконтроллера и его памяти. Как правило, симулятор содержит в своем составе: • Отладчик; • Модель ЦПУ и памяти. Более продвинутые симуляторы содержат в своем составе модели встроенных периферийных устройств, таких, как таймеры, порты, АЦП, системы прерываний.
Симулятор должен уметь загружать файлы программ во всех популярных форматах, максимально полно отображать информацию о состоянии ресурсов симулируемого микроконтроллера, а также предоставлять возможности по симуляции выполнения загруженной программы в различных режимах. В процессе отладки модель «выполняет» программу, и на экране компьютера отображается текущее состояние модели.
Загрузив программу в симулятор, пользователь имеет возможность запускать ее в пошаговом или непрерывном режимах, задавать условные и безусловные точки останова, контролировать и свободно модифицировать содержимое ячеек памяти и регистров симулируемого микропроцессора. С помощью симулятора можно быстро проверить логику выполнения программы, правильность выполнения арифметических операций.
EveryCircuit
В зависимости от класса используемого отладчика, различные симуляторы могут поддерживать высокоуровневую символьную отладку программ. Некоторые модели симуляторов могут содержать ряд дополнительных программных средств, таких, например, как: интерфейс внешней среды, встроенную интегрированную среду разработки.
В реальной системе микроконтроллер обычно занимается считыванием информации с подключенных внешних устройств (датчиков), обработкой этой информации и выдачей управляющих воздействий на исполнительные устройства. Чтобы в симуляторе не обладающем интерфейсом внешней среды смоделировать работу датчика, нужно вручную изменять текущее состояние модели периферийного устройства, к которому в реальной системе подключен датчик.
Если, например, при приеме байта через последовательный порт взводится некоторый флажок, а сам байт попадает в определенный регистр, то оба эти действия нужно производить в таком симуляторе вручную. Наличие же интерфейса внешней среды позволяет пользователю создавать и гибко использовать модель внешней среды микроконтроллера, функционирующую и взаимодействующую с отлаживаемой программой по заданному алгоритму. Очевидной особенностью программных симуляторов является то обстоятельство, что исполнение программ, загруженных в симулятор, происходит в масштабе времени, отличном от реального. Однако, низкая цена, возможность ведения отладки даже в условиях отсутствия макета отлаживаемого устройства делают программные симуляторы весьма эффективным средством отладки. Отдельно необходимо подчеркнуть, что существует целый класс ошибок, которые могут быть обнаружены только при помощи симулятора.
Источник: studfile.net
eLearning Lab
Что такое симулятор и эмулятор?
В последнее время в eL-среде всё чаще встречаю статьи, в которых путаются понятия «эмулятор» и «симулятор». Некоторые почему-то упорно отказываются различать эти термины (тем более сейчас весна), вводя тех, кто в этой теме пока ещё не разбирается, в заблуждение. Собственно, данная тема ещё более увлекательная, чем holywar на тему «щёлкать или нажимать».
На первой картинке мы видим 2 скриншота: слева — оригинальная программа, справа — эмулятор этой программы.
На второй картинке тоже 2 скриншота: слева — оригинальная программа, справа — симулятор этой программы.
Разницы между этими скриншотами никакой нет. То есть, визуально симулятор ПО и эмулятор ПО зачастую могут выглядеть одинаково.
Итак, давайте сравним два понятия — эмулятор и симулятор, чтобы понять, в чём заключается различие. Часть формулировок, которые я привёл ниже, были взяты из справочников, а также со специализированных форумов.
Что же такое эмулятор?
Начнём с понятия «эмуляция». Эмуляция — это воспроизведение работы программы или системы (а не какой-то её мизерной части) с сохранением ключевых её свойств и принципов работы. Эмуляция выполняет программный код в привычной для этого кода среде, состоящей из тех же компонентов, что и эмулируемый объект.
Пример эмулятора. Все мы знакомы с программой (системой) 1С. Сотрудники выполняют рабочие задачи в «боевом» режиме программы, в рамках которого, к примеру, сохраняется связь с реальными базами данных.
Иногда программисты в целях обучения или тестирования функционала программы создают «тестовую» версию программы, в рамках которой можно делать всё тоже самое, что и в «боевой» версии с той разницей, что любые действия пользователя ни на что не повлияют (к примеру, можно смело «грохнуть» базу данных без какого-либо ущерба — просто для того, чтобы посмотреть, что в результате будет). Пожалуй, это можно назвать эмуляцией. Кстати, это отличая замена обучающим симуляторам и тренажёрам ПО (точнее симуляторы ПО выступают заменой таким эмуляторам). Особенно, если такой эмулятор напичкать сообщениями с обратной связью и подсказками для пользователя.
В отличие от симуляции, при которой предполагается имитация поведения системы и её интерфейса, термин эмуляция предполагает создание точной модели устройства.
Эмулируются все основные компоненты устройства, в том числе процессор, память и устройства ввода/вывода. Поскольку эмулируется и процессор, совершенно не обязательно чтобы в гостевой системе (эмулируемом устройстве) процессор был того же типа, что и в хост-системе (эмулирующем устройстве). #
IBM, компания, которая ввела термин «эмуляция» определяет её как «новую комбинацию программы, микрокода и оборудования». До 1980-х годов термин «эмуляция» относился исключительно к аппаратной реализации с применением микрокода, тогда как для программной эмуляции использовался термин «симуляция». Например, компьютер, специально разработанный для выполнения программ, написанный для другой архитектуры, являлся эмулятором. С другой стороны симулятором могла бы называться программа для ПК, с помощью которой можно было бы симулировать старые игры для Atari. #
Симуляция — это воспроизведение работы программы-оригинала сугубо виртуально, на движке специальной программы (средство разработки курсов, к примеру). Симуляция лишь имитирует выполнение кода, а не копирует его, всё виртуально на 100%, всё понарошку.
Как правило, симулятор ПО — это имитация лишь отдельных свойств, возможностей или функций симулируемой программы, причём не в полном объёме, а только в том, в каком это необходимо в рамках тех задач, которые были поставлены перед симулятором. Вы как будто бы работаете в настоящей программе, но при этом функционал полностью или почти полностью «фальшивый», как правило» написанный совершенно иначе, чем в оригинале (например, на другом языке программирования). Но зато, работая в симуляторе, вы понимаете, как работать в оригинальной программе, понимаете то, как будет реагировать программа на ваши действия.
Нашёл на просторах инета хороший наглядный пример: подключив к телевизору генератор тестовых сигналов, мы получим эмуляцию приёма этих сигналов, а вставив в телевизор картинку и осветив её лампочкой, мы получим симуляцию приёма сигналов. В результате мы увидим одно и то же — ряд картинок на экране, которые появляются при тестировании сигнала. Но реализация, как вы понимаете, существенно различается.
Симулятор по полноте функций/учитываемых параметров уже, чем эмулятор. Эмулируется объект, а симулируются его свойства, функции или поведение.
Эмулятор ПО — полнофункциональный аналог оригинального ПО, либо его версия, в которой может быть предусмотрен ряд ограничений по функционалу, возможностям и поведению ПО.
Симулятор ПО — модель оригинального ПО, в которой реализуется логика работы этого ПО (частично или полностью), имитируется поведение ПО, копируется его интерфейс.
- Симуляторы ПО: нажимать или щёлкать
- Презентация для вебинара «Симуляторы ПО»
- Эволюция симуляторов ПО
- Что может заменить симуляторы ПО
Источник: wlcm-to-el.blogspot.com
Симуляторы компьютерных систем – похожи ли на реальность
Простым и доступным языком про основные термины из области симуляторов, а также типы и уровни детализации моделей. Материал для легкого и быстрого знакомства с данным направлением.
Если бы меня спросили про симуляцию некоторое время назад, то первое, что пришло бы в голову – это мой сын, рассказывающий о своем больном животе накануне контрольной в школе. Однако последние десять лет я работаю с симуляторами различных компьютерных систем, от телефонов до серверов, основанных на микропроцессорах, SOC-ах (System-On-Chip) и чипсетах одного из крупнейших производителей (к сожалению, название под NDA), и мое представление о симуляции поменялось. Но обо всем по порядку.
Я уверен, что многие из вас сталкивались с симуляторами, которые часто называют виртуальными машинами, гипервизорами. Кто-то устанавливает Parallels Studio себе на Mac, чтобы запускать Windows из MacOS, кто-то пользуется продуктом от VmWare – Workstation, чтобы иметь еще одну операционную систему (ОС), запущенную внутри уже установленной. Те, кто знаком с Linux, предпочитают KVM и QEMU.
Также популярен в народе VirtualBox. Люди, профессионально занимающиеся разработкой аппаратуры на базе ПЛИС (Программируемая Логическая Интегральная Схема), знают про VCS от Synopsys и Mentor Graphics Questa. И все же это лишь небольшая часть того, что можно называть симуляторами.
Что такое симулятор?
Симулятором называют модель, как правило, программную, реального устройства. Соответственно, симуляция – это процесс работы такой модели, повторяющий работу устройства.
В принципе, можно сделать модель любого устройства, но наиболее распространенными являются симуляторы микропроцессорных устройств, то есть устройств, центральным компонентом которых является микропроцессор, и вокруг него уже строится остальная логика. Один из основных вариантов использования симулятора – это запуск программ, предназначенных для этого самого микропроцессора. При этом использование реального устройства по тем или иным причинам затруднительно, например, его может просто еще не существовать, если речь идет о моделировании будущего поколения микропроцессоров.
Airbnb в симуляции – гость и хост
Код, запускаемый внутри симулятора, называют «гостевым кодом», это может быть «гостевая программа» или целая «гостевая операционная система». Сама симулируемая система называется просто «гость». В свою очередь, система, компьютер, где запускается симулятор, называется «хостом» (англ. host), а операционная система, работающая на хосте, в которой запускается симулятор, называется «хостовой ОС».
Таким образом, можно сказать, что симулятор, реализующий определенный набор инструкций гостевой системы, моделирует их, используя имеющиеся в наличии средства хостовой системы.
Симуляция и эмуляция – какое название правильное?
Модель может повторять устройство с разной степенью точности и детализации. Часто это симуляция только внешнего поведения системы, доступного программному коду. Коду ведь «все равно», как именно внутри реализована та или иная инструкция процессора, – главное, чтобы работало. Такой вариант симуляции распространен, не сложен в разработке и довольно быстрый, не тормозит даже на обычных пользовательских компьютерах.
Однако этого недостаточно, если мы хотим узнать, например, сколько времени будет выполняться программа на реальной аппаратуре. Для этого необходимо моделирование не только внешнего поведения, но и повторение внутренней структуры и логики работы. Это тоже может быть выполнено с разной степенью детализации и точности. Такие модели правильнее называть эмуляторами, которые действительно эмулируют устройство, а не «симулируют» результаты.
Создание эмуляторов гораздо сложнее из-за большего объема функциональности, которую необходимо реализовывать в модели. Также они функционируют намного медленнее по сравнению с симуляторами внешнего поведения устройства. С эмуляторами речь вообще не идет о запуске Windows – это может занять годы.
Никто не занимается созданием программного эмулятора целиком всей платформы – это очень долго и дорого. Вместо этого эмулируются отдельные компоненты системы, такие как тот же центральный процессор, и на нем запускается лишь часть симуляционного процесса. Возможны различные гибридные схемы, когда часть симулятора является верхнеуровневой моделью, часть низкоуровневой, часть в ПЛИС, а часть вообще реальная железка.
4 уровня детализации симуляции
Как я написал выше, наиболее распространенным является вариант симуляции на уровне инструкций процессора, так называемый ISA (Instruction Set Architecture), или, точнее, результата их выполнения, т.е. без эмуляции всей внутренней логики того, как это происходит в реальном процессоре, и без учета времени выполнения различных инструкций. Именно такие симуляторы называют еще функциональными.
Так работают VirtualBox, Vmware Workstation, Wind River Simics, KVM и QEMU. Это позволяет удобно, без лишних дополнительных действий запускать программы, предназначенные для симулируемого устройства. Другими словами, не требуется ни перекомпиляция, ни какие-либо другие манипуляции с запускаемыми программами. В таких случаях говорят, что возможен запуск немодифицированного бинарного кода.
Если говорить про более высокий уровень абстракции, то это будет реализация определенного ABI (Application Binary Interface). В двух словах, ABI описывает бинарный интерфейс взаимодействия двух программ – как правило, пользовательской программы и библиотеки или ОС.
ABI покрывает соглашения о вызовах (как передавать параметры и возвращать значения), размеры типов данных, выполнение системных вызовов. Как это работает? Например, если программе, написанной для Linux, необходимо создать дополнительный тред (от англ. thread – нить) выполнения, то вызывается функция pthread_create().
А что, если сделать библиотеку с такой функцией в Windows и реализовать необходимые механизмы связывания приложения и библиотеки (динамической линковки)? В таком случае можно будет запускать Linux приложения из Windows. Windows будет «симулировать» Linux. Именно это и было сделано в Windows subsystem for Linux в Windows 10, что позволяет запускать немодифицированные бинарные Linux приложения в Windows.
Теперь посмотрим, как выглядят более низкоуровневые и детальные уровни симуляции. Это будет уровень микроархитектуры, при котором симулируются реальные внутренние алгоритмы и блоки процессора, такие как декодер инструкций, очереди, блок внеочередной обработки, предсказатель переходов, кэш, планировщик и сами счетные устройства. Такое моделирование позволяет анализировать реальную скорость выполнения программ и, например, оптимизировать их под уже имеющиеся архитектуры. А в случае симуляции прототипов будущих микропроцессоров возможны предсказание и оценка производительности этих устройств.
Ниже уровня микроархитектурной симуляции идет уровень эмуляции логических элементов, из которых и состоят современные чипы. Такие эмуляторы бывают и программными, и аппаратными с использованием ПЛИС. Логика ПЛИС описывается с помощью RTL (Register Transfer Level) на языках Verilog, VHDL и др. После компиляции получается образ (bitstream), который потом прошивается в ПЛИС.
Причем для этого необязательно пользоваться паяльником и разбираться в электротехнике. Плата подсоединяется к компьютеру, например, по USB или JTAG интерфейсу, а специальный софт от производителя ПЛИС платы выполняет запись. Стоимость таких плат начинается от десяти долларов за простейшие варианты до миллионов долларов для больших ПЛИС стендов размером со шкаф, используемых в крупных компаниях-производителях чипов. В таких компаниях симуляция с использованием ПЛИС является финальной стадией перед отдачей RTL в производство.
Если речь идет о несложных устройствах, то, имея на руках образ ПЛИС, можно обратиться в специализированные компании, которые сделают настоящее (не ПЛИС) устройство с запрограммированной логикой.
На рисунке ниже показаны описанные уровни симуляции.
Кроме этих уровней моделирования, мне также приходилось сталкиваться с гибридными симуляторами. По сути, они представляют собой соединенные друг с другом симуляторы, моделирующие на разных уровнях разные части системы. Например, необходим анализ пропускной способности новой сетевой карты, работающей вместе с разрабатываемым драйвером для определенной ОС.
Такое сетевое устройство, а также ряд смежных устройств, могут быть реализованы сначала на микроархитектурном уровне для предварительного анализа, а потом и в ПЛИС, на уровне логических элементов, для финальных проверок. При этом остальная часть системы, задействованная лишь частично, реализуется на уровне инструкций. Обойтись без нее нельзя, так как она необходима, например, для загрузки ОС, а реализовывать ее на более низком и сложном уровне не имеет смысла.
Так что же на счет сравнения симуляторов и реальности?
Как теперь понятно, нет задачи сделать тот или иной симулятор максимально похожим на реальность. Есть задача, которую ставит бизнес, и симуляция выполняется со той степенью “похожести” на реальность, который является минимально достаточным для решения этой задачи, не тратя при этом лишних денег и времени. В одном случае это может быть простая библиотека, реализующая необходимый бинарный интерфейс (ABI), а в другом не обойтись без детального микроархитектурного симулятора.
Это самая базовая информация о том, что такое симуляторы и какие они бывают. В следующей статье я опишу детали реализации полноплатформенных симуляторов, потактовых моделей и работу с трассами.
- Блог компании Auriga
- Анализ и проектирование систем
- Виртуализация
- Производство и разработка электроники
Источник: habr.com