MiADL: linguagem para geração automática de simuladores redireccionáveis

Abstract

Os sistemas embutidos, além de fazerem cada vez mais parte da vida do cidadão comum, são dispositivos cada vez mais sofisticados e complexos. As equipas de desenvolvimento de sistemas embutidos têm por isso de lidar com complexidade crescente para atingir performances e requisitos cada vez mais exigentes (ex. hierarquias de memória complexas). Estes dispositivos exigem ferramentas de software – tais como: simuladores, depuradores, assembladores ou compiladores – que têm que acompanhar a evolução dos mesmos. Torna-se por isso fundamental desenvolver de forma rápida o conjunto de ferramentas para determinado sistema embutido para garantir espaço num mercado bastante competitivo, ou seja, conseguir um curto time-tomarket. O desenvolvimento de aplicações que permitam a rápida e eficaz geração deste tipo de ferramentas assume relevo no âmbito do desenvolvimento dos sistemas embutidos. Das ferramentas de software, o simulador é uma das essenciais para o desenvolvimento de novas arquitecturas computacionais. Entre as vantagens que apresenta, destaca-se a flexibilidade e baixo custo, uma vez que permite simular hardware em estágios iniciais do processo de desenvolvimento, sem necessidade de existência física do mesmo. Os primeiros simuladores eram desenvolvidos manualmente. Entretanto têm emergido linguagens de descrição de arquitecturas (ADLs) que facilitam a geração dessas ferramentas de uma forma automática, rápida, redireccionável e menos propensa a erros. Uma das vantagens destas linguagens consiste em permitirem gerar várias ferramentas a partir de uma única descrição, o que garante desde logo compatibilidade e coerência entre elas. Estas linguagens além de aplicação prática para fins industriais, podem também ser usadas para fins educacionais nomeadamente para o ensino de arquitecturas de microprocessadores. Este trabalho de Doutoramento tem por objectivo contribuir para simplificar o processo de construção de simuladores, usados no projecto de sistemas embutidos. Pretende-se mostrar que a melhor forma de alcançar este objectivo consiste numa abordagem usando uma linguagem estruturada e que explora os comportamentos/sintaxes comuns ao conjunto de instruções da arquitectura alvo. Para suportar esta abordagem propõem-se uma linguagem que introduz uma forma diferente de descrever arquitecturas do conjunto de instruções (ISAs). A linguagem nomeada de Minho Architecture Description Language (MiADL), possui uma estrutura que explora o que é comum às instruções (comportamento e assembly) e permite a existência de blocos que são descritos uma vez e podem ser usados várias vezes. Desta forma a validação e identificação de incoerências fica facilitada e conduz a descrições claras, robustas e fáceis de depurar. As principais características desta linguagem são a existência de scopes, a inferência de argumentos, a estrutura em secções que permitem reutilização em diferentes partes da linguagem, a forma como lida com variabilidades e regularidades presentes em ISAs e a relação com a informação presente geralmente em manuais dos processadores. As modelações usando MiADL de vários ISAs complexos, de arquitecturas conhecidas, resulta em descrições bastante compactas, estruturadas e fáceis de explorar, quando comparadas com as conseguidas por outras ADLs. Em termos de simulação, com base em modelações MiADL, na tese é apresentada a infra-estrutura de geração automática de simuladores redireccionáveis de ISAs usando a técnica de simulação compilada estática, recorrendo a generic programming. Esta possibilidade de recorrer àquela técnica de programação deve-se às características da linguagem, que com outras ADLs não é tão fácil de conseguir. Além de tornar o código mais compacto e estruturado, permite que o compilador nativo explore optimizações para conseguir bom desempenho do simulador.

Embedded system devices, besides having a growing importance in the common citizen’s life, are more and more sophisticated and complex devices. The embedded systems development teams have to deal with the rising complexity to provide higher performance and more demanding requisites (ex. complex memory organizations). These devices require software tools – such as: simulator, debugger, linker, assembler or compiler - that must be proper to those devices. It is therefore essential to develop in a quick way the software toolkit, for the target embedded system, to assure place in a competitive market, in other words, to shorten time-to-market. The development of applications to efficiently generate the software toolkit is of great importance in the embedded systems development scenario. From the set of software tools, the simulator is an essential tool for the development of new computational architectures. It brings flexibility and reduces the cost, since it allows the hardware simulation in early stages of the development process, without the physical existence of such hardware. The first simulators were hand-coded developed. Since then, new Architecture Description Languages (ADLs) have emerged, that have made easier the generation of these tools in an automatic, quicker, retargetable and error resilient way. One advantage of these languages is that they allow generating several tools from a single description. These languages, besides the practical applications for industrial purposes, can also be used for educational purposes namely for teaching microprocessors architectures. The purpose of this PhD work is to contribute for the simplification of generating simulators to be used in the design of embedded systems. The aim is to demonstrate that the best way is achieved through the use of a structured language which explores the common behavioural/syntaxes of the target instruction set architecture. To support this approach a new language is proposed which introduces a new way to describe Instructions Set Architectures (ISAs). This language, named Minho Architecture Description Language (MiADL), possesses a structure that explores what is common with the instructions (behaviour and assembly) and is block organized. The language blocks can be described once and used several times. In this way the validation and detection of incoherencies is facilitated, leading to clear, robust and easy to debug descriptions. The main features of this language are: scopes existence; arguments inference; structure organized in sections which allows its reuse in different parts of the description; the way in which it deals with variability and regularities present in complex ISAs and similarity with the information usually available in processors manuals. The descriptions of several complex ISAs of known architectures using MiADL, result in rather compact, structured and easy to explore descriptions, when compared with the ones obtained by other ADLs. In this thesis is also discussed the retargetable framework designed for automatic generation of compiled simulators, from MiADL descriptions, using generic programming to execute instruction behaviors. The use of function templates is possible due to MiADL features, with other ADLs this isn’t so easy to accomplish. Besides making the code more compact and structured, allows to explore optimizations from the native compiler to achieve improvements in the simulator´s performace.