gem5模拟器的内存系统中，有三种不同的访存模式实现，分别有不同的功能与用途，本文对这三种模式做一个对比总结。三种模式的代码位置在gem5\src\mem\protocol\下。

文章目录

• Atomic VS Timing
• • timing模式的访存过程
  • atomic模式的访存过程
  • atomic模式的作用与适用场景
  • 两种模式与CPU模型的关系
• Functional
• 参考

Atomic VS Timing

鉴于它们的用法呢，atomic和timing两种模式可以对比说明，functional在后面单独说明。

理解atomic模式与timing模式的要点有两个：

1. atomic模式下在内存系统中不会调度新的事件；timing模式会不断调度新的事件加入事件队列。
2. atomic模式不会出现排队延迟或者资源争夺；而timing模式则会进行排队延迟和资源争夺的一个详细建模。

从gem5模拟器中的时间线上来看呢：

• atomic模式是当请求发起，立即就会得到一个return，return的是本次请求的一个估计时间
• 下面的timing模式，当请求发起后，会在内存系统中进行排队，延迟一段时间后得到响应。
  

问题：atomic模式仅仅估计一个访存时间而不发生事件调度，为什么也能得到程序的正确结果？换句话说就是该模式下访存这个动作到底有没有发生，如果发生了为什么可以瞬间完成，如果没有发生为什么可以得到正确的结果？

要回答这个问题，那么需要理解gem5是一个事件驱动的模拟器，下面通过timing模式的事件调度进行解释：

一个事件包括动作和tick两部分，一个事件的调度意思就是在多少tick后发生什么动作。

timing模式的访存过程

观察这里的timing模式，上边的一条是访存链，packet就沿着访存链一步步传递；
下边的是事件队列，每调度一个事件就会插入事件队列，队列里面的事件是按照他们各自的tick严格排序的，gem5中的时间就随着一个个事件在他们约定好的tick发生，而一步步向前推进。

那么对于一条访存指令，CPU就会将一个请求包沿着访存链往下传递，传递过程中产生一个一个事件，完成访存过程中该完成的动作。

atomic模式的访存过程

观察atomic模式，对于一条访存指令，则可以看做事件队列里面只插入了一个事件，该事件的tick就是现在，当packet沿着访存链传递时，各种需要完成的操作还是会完成，但是不再调度新的事件加入队列。

那么当整个访存指令完成，后面却没有新的事件发生，也就是说gem5中的时间没有推进，看上去就好像瞬间完成了访存操作。所以将该模式成为原子访存。

atomic模式的作用与适用场景

• 写了一个程序，想要知道运行是否正确，可以使用该模式快速得到结果。后面再使用能得到更详细的结果的CPU模型或者说访存模式；
• 当本次模拟不关心访存时间，那么可以使用该模式快速得到结果；
• 用于cache的预热。

两种模式与CPU模型的关系

• 两种访存模式各自对应一种CPU模型，两种CPU都是单周期CPU，一个周期完成一条指令；
• 两种模式不能够共存。
  

Functional

functional模式，有以下特点：

• 官方介绍说他更适合被称做调式模式，这种模式没有对应的CPU模型；
• 因此是可以与atomic或timing共存于内存系统中的。
• 与Atomic相同，访存是瞬间发生的
• 用于加载二进制文件、检查/更改模拟系统中的变量以及允许远程调试器连接到模拟器等

也就是截图中的这个例子，这是python脚本构建完系统后，将一个编译好的二进制文件加载到系统中运行的操作。我理解就是用于gem5模拟系统和主机交互

• 当设备接收到功能访问时，如果它包含一个数据包队列，则必须搜索所有数据包以查找功能访问正在影响的请求或响应，并且必须适当地更新它们。
  也就是下图中在bridge对象中的recvFunctional(pkt)先后检查响应队列与请求队列中的每个数据包是否需要更新
  
  functional模式目前用的貌似不多，暂时没有更深入的理解。

参考

gem5:Memory system
youtube视频:gem5 bootcamp 2022: CPU models