[GEM5学习]1、GEM5仿真器启动过程

GEM5简介

      GEM5是高度面模块化的仿真器，主要由Python和C++语言编写，Python用初始化、设置、组织和配置各个模块，因为C++的高性能，所以真正执行的模块都由C++语言编写，GEM5还集成了两种DSL语言，一种用于描述ISA，一种用来实现Cache的一致性协议（SLLIC）。

     Swig工具用来封装和导出C++模块接口，使C++模块可以被Python组织和调用。swig的使用方法

GEM5启动过程

本文使用X86架构为例介绍GEM5中最简单的SE模式启动过程。GEM5启动的命令为：

~/simulators/gem5$ build/X86_MESI_Three_Level_sparse/gem5.opt configs/example/se.py -c test

其中gem5.opt为GEM5的主二进制程序，se.py为用Python语言编写的配置文件，test为标准Linux下gcc编译的二进制文件。

运行结果如下：

wgh@atlantis:~/simulators/gem5$ build/X86_MESI_Three_Level_sparse/gem5.opt configs/example/se.py -c test
gem5 Simulator System.  http://gem5.org
gem5 is copyrighted software; use the --copyright option for details.

gem5 compiled Jun 22 2014 15:27:09
gem5 started Jun 22 2014 15:27:28
gem5 executing on atlantis
command line: build/X86_MESI_Three_Level_sparse/gem5.opt configs/example/se.py -c test
Global frequency set at 1000000000000 ticks per second
0: system.remote_gdb.listener: listening for remote gdb #0 on port 7000
**** REAL SIMULATION ****
info: Entering event queue @ 0.  Starting simulation...
info: Increasing stack size by one page.
warn: ignoring syscall access(0, 4893217, ...)
Hello, world!
Exiting @ tick 6979500 because target called exit()

    通过GDB调试发现GEM5启动的过程如下图：

其中GEM5启动使用的trigger是标准的C/C++的main函数，main函数主要工作为初始化信号量和初始化Python环境。然后通过调用sim/init.cc中的initM5Python()方法来初始化GEM5使用的模块。在initM5Python（）函数主要调用了两个方法：

int
initM5Python()
{
    EmbeddedSwig::initAll();
    return EmbeddedPython::initAll();
}

EmbeddedSwig：：initAll()用来调用每个模块与swig相关的初始化函数，这些函数都在xxx.i_init.cc中声明，xxx为模块名。比如一个param_IsaFake的模块中的代码：

#include "sim/init.hh"

extern "C" {
    void init_param_IsaFake();
}

EmbeddedSwig embed_swig_param_IsaFake(init_param_IsaFake); //实例化一个EmbeddedSwig对象，并把初始化函数通过构造函数传给类中的静态变量list

//EmbeddedSwig的构造函数
EmbeddedSwig::EmbeddedSwig(void (*init_func)())
    : initFunc(init_func)
{
    getList().push_back(this);
}

在EmbeddedSwig的构造函数中会把每个模块的初始化函数放到一个list中，InitAll()函数的主要工作就是掉用这些已经定义好的初始化函数。

    EmbeddedPython::initAll()用来整理继承于SimObject的模块并把他们映射到m5.objects命名空间下。这些gem5模块是分布在不同文件夹下的，理论上Python是通过文件的路径来确定Python模块的命名空间（类似Java），但是通过分析来看下gem5是通过什么方法把分布在不同文件下的Python模块map到m5.objects下。

    在每个gem5的功能模块下都会有类似，xxxx.py.cc的文件，这个文件就是用来描述这个模块的名字、文件的绝对路径等信息：

EmbeddedPython embedded_m5_objects_AtomicSimpleCPU(
    "m5/objects/AtomicSimpleCPU.py",  //理论上这个文件该在的位置
    "/home/wgh/simulators/gem5/src/cpu/simple/AtomicSimpleCPU.py", //实际在的位置
    "m5.objects.AtomicSimpleCPU",   //模块的名字
    data_m5_objects_AtomicSimpleCPU,  //是一个大数组，I don't know what the fuck it is！
    766,   //上面那个大数组的长度
    1610);  //？
}

通过实力化EmbeddedPython对象，构造函数会把这些模块的信息添加到内部的一个list上，这为gem5未来加载这些模块提供信息。InitAll()函数会调用每个模块自身的AddModule()把自己映射到它理论上该在的位置。

初始化完毕，仿真器调用main.cc的m5Main()函数，在m5Main()函数中使用PyRun_String来启动Python模块，PyRun_String()函数为c/c++调用python的接口，其中函数第一个参数为python命令，在这个地方使用了两个命令：import m5和m5.main()，第二个命令是调用python模块的main()函数。在m5.main()函数中使用

    if options.pdb:    
	......
         pdb.run(filecode, scope) #调试模式下运行se.py，在gem5.opt的运行参数下加上--pdb参数。pdb调试器类似gdb，
    	.....
    else:
        exec filecode in scope   #正常运行

来执行se.py文件。se.py为SE模式的配置文件。在se.py中会调用Simulation模块的run()函数，run()函数中调用了m5的simulate(),从图中可以看出在src/python/m5/simulate.py文件中的simulate()函数最终调用了被封装过的C++模块，模块已经被映射到m5.internal.event下。到此为止，GEM5的启动基本结束。下一篇分析simulate()函数的作用和gem5深入的一些机制。