專利名稱：一種Cache一致性協(xié)議軟件模擬驗(yàn)證方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，具體地說是一種Cache —致性協(xié)議軟件模擬驗(yàn)證方法。
背景技術(shù)：
Cache—致的分布式共享內(nèi)存多處理器系統(tǒng)是當(dāng)前一種重要的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。目前處理器直接掛接內(nèi)存，本身支持Cache —致性協(xié)議，因此在構(gòu)建多處理器系統(tǒng)時，通常將這些處理器直連，由它們本身的協(xié)議維護(hù)處理器之間的一致性，并形成一個單一 Cache —致性域。但是，由于協(xié)議規(guī)格、鏈路端口等限制，這樣組成的單一域多處理器系統(tǒng)規(guī)模通常有限。為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的CC-NUMA多處理器系統(tǒng)，需借助節(jié)點(diǎn)控制器NC (Node Controller)擴(kuò)大一致性域空間。本發(fā)明涉及到的節(jié)點(diǎn)控制器具有維護(hù)全局Cache —致性和擴(kuò)展系統(tǒng)規(guī)模兩種功能首先，每個節(jié)點(diǎn)控制器連接I至4顆處理器,組成一個節(jié)點(diǎn)和第一級Cache —致性域， 域內(nèi)一致性由處理器和節(jié)點(diǎn)控制器共同維護(hù)；其次，節(jié)點(diǎn)控制器直接互連或通過節(jié)點(diǎn)路由器連接以組成大規(guī)模CC-NUMA系統(tǒng)。節(jié)點(diǎn)間的第二級Cache—致性由節(jié)點(diǎn)控制器維護(hù)。這樣構(gòu)成的大規(guī)模的CC-NUMA系統(tǒng)需要在處理器直聯(lián)Cache —致性協(xié)議基礎(chǔ)上擴(kuò)展建立多層次的協(xié)議，并維護(hù)全局一致性。在設(shè)計(jì)基于擴(kuò)展型Cache Coherence協(xié)議的多級一致性域CC-NUMA系統(tǒng)協(xié)議的同時，對其仿真驗(yàn)證工作也成為重要工作。圖I展示了一個多級一致性域系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種Cache —致性協(xié)議軟件模擬驗(yàn)證方法。本發(fā)明提出一種Cache —致性協(xié)議軟件模擬驗(yàn)證方法。軟件模擬驗(yàn)證可通過人工方式撰寫約束模型同時進(jìn)行帶約束的偽隨機(jī)測試，對于特定的目標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證，并反饋協(xié)議的正確性與缺陷。基于軟件模擬的方法，首先確定基于擴(kuò)展型Cache Coherence協(xié)議的多級一致性描述方式，然后實(shí)現(xiàn)一種軟件模擬驗(yàn)證的方法并統(tǒng)計(jì)覆蓋率和進(jìn)行錯誤匯報(bào)。本方法可以有效驗(yàn)證多狀態(tài)空間下多級域的Cache Coherence 一致性協(xié)議，使得協(xié)議表實(shí)現(xiàn)邏輯上建立對應(yīng)關(guān)系，并通過全局檢查器判定系統(tǒng)依照協(xié)議表的狀態(tài)遷移是否符合一致性定義，并初步判斷依照該協(xié)議表構(gòu)建的模型是否具有期望的性質(zhì)。本發(fā)明的目的是按以下方式實(shí)現(xiàn)的，系統(tǒng)包括1)系統(tǒng)模擬器、2)測試激勵自動生成器、3)全局檢查器，4)節(jié)點(diǎn)控制器模擬器，其中
O系統(tǒng)模擬器包括以下兩部分
(O總線功能模型模擬實(shí)現(xiàn)了處理器中Cache、存儲以及處理器間的互連網(wǎng)絡(luò)；支持自定義系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；提供了對訪存行為的事務(wù)級模擬支持；運(yùn)行中按照處理器直連Cache 一致性協(xié)議模擬并提供系統(tǒng)中各訪存事務(wù)、Cache、存儲的實(shí)時行為和狀態(tài)；
(2)節(jié)點(diǎn)控制器模擬器通過總線功能模型的API接口掛接在其上，模擬實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)控制器自有的多級Cache —致性協(xié)議；使用處理器Cache —致性協(xié)議消息與處理器進(jìn)行通信，并以擴(kuò)展的Cache —致性協(xié)議消息通過節(jié)點(diǎn)控制器網(wǎng)絡(luò)在各節(jié)點(diǎn)控制器之間進(jìn)行通信，完成多級域之間的一致性協(xié)議的轉(zhuǎn)換；
2)測試激勵生成器用于產(chǎn)生高質(zhì)量的測試激勵；測試激勵生成器以隨機(jī)的速率在隨機(jī)的Cache上產(chǎn)生對同一地址的隨機(jī)種類的訪存事務(wù)，并將事務(wù)發(fā)送到總線功能模型上，總線功能模型按照處理器直連Cache —致性協(xié)議將訪存事務(wù)轉(zhuǎn)換為消息在模擬器中運(yùn)行；
3)全局檢查器運(yùn)行在整個系統(tǒng)模擬器之上，檢查全局的數(shù)據(jù)Cache—致性,對模擬系統(tǒng)中的系統(tǒng)狀態(tài)和消息流進(jìn)行實(shí)時檢查，用于發(fā)現(xiàn)模擬過程中系統(tǒng)偏離協(xié)議的行為，并檢查系統(tǒng)是否出現(xiàn)死鎖、餓死.
4)協(xié)議表模擬器，協(xié)議表模擬器是節(jié)點(diǎn)控制器模擬器的核心，協(xié)議表模擬器是節(jié)點(diǎn)控制器模擬器能夠正常工作的關(guān)鍵，由于協(xié)議表是被驗(yàn)證的目標(biāo)，因此在整個驗(yàn)證過程中協(xié)議表都是可能被修改的，我們需實(shí)現(xiàn)重配置協(xié)議表，描述協(xié)議表模擬器動作，該協(xié)議表模擬器包括三個關(guān)鍵模塊部分入口條件查詢器、狀態(tài)轉(zhuǎn)換執(zhí)行器和協(xié)議表查詢調(diào)度器，當(dāng)節(jié)點(diǎn)控制器模擬器收到一條消息時，協(xié)議表查詢調(diào)度器開始運(yùn)作，首先入口條件查詢器按照收 到的消息和當(dāng)前系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行查找，找到一個入口后轉(zhuǎn)到對應(yīng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換執(zhí)行器執(zhí)行相應(yīng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換代碼；當(dāng)滿足下一條件或應(yīng)答報(bào)文滿足解鎖排隊(duì)報(bào)文時，推進(jìn)下一項(xiàng)協(xié)議表查找過程，下面分別進(jìn)行說明
入口條件查詢器入口條件查詢器檢測當(dāng)前狀態(tài)與協(xié)議表對應(yīng)關(guān)系，協(xié)議表每項(xiàng)的狀態(tài)互斥，當(dāng)前狀態(tài)至多只能匹配一個協(xié)議表入口，該實(shí)現(xiàn)采用兩種方法，方法一遍歷整個協(xié)議表，直至當(dāng)前狀態(tài)匹配協(xié)議表，轉(zhuǎn)入狀態(tài)轉(zhuǎn)換執(zhí)行器，并不再執(zhí)行后續(xù)查找，防止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)換后再次查找；方法二 首先定義系統(tǒng)狀態(tài)存儲器的編碼方法由于每個狀態(tài)存儲器的取值位數(shù)是固定的，所以將所有狀態(tài)存儲器轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)后使用查找表項(xiàng)入口方式，以節(jié)約模擬運(yùn)行時間；
狀態(tài)轉(zhuǎn)換執(zhí)行器協(xié)議表中所有可能進(jìn)行的狀態(tài)轉(zhuǎn)換包括兩類，共享存儲信息數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的填寫和消息的發(fā)送，共享存儲器的填寫使用通用的填寫函數(shù)，將其值作為參數(shù)傳入；而消息的發(fā)送則根據(jù)發(fā)送消息的不同編寫不同消息發(fā)送函數(shù)，當(dāng)入口條件查詢器查詢到對應(yīng)的入口時，將控制權(quán)轉(zhuǎn)交到狀態(tài)轉(zhuǎn)換執(zhí)行器，狀態(tài)轉(zhuǎn)換執(zhí)行器根據(jù)協(xié)議表下一步狀態(tài)單元中讀入的值分別設(shè)定對應(yīng)的存儲器新值和發(fā)送報(bào)文；
協(xié)議表調(diào)度器根據(jù)報(bào)文類型和報(bào)文目的節(jié)點(diǎn)，調(diào)度每一個報(bào)文穿越節(jié)點(diǎn)控制器需經(jīng)歷查找的協(xié)議表，并根據(jù)完成報(bào)文推進(jìn)對應(yīng)阻塞的報(bào)文進(jìn)入處理流程，防止報(bào)文處理的死鎖和餓死現(xiàn)象。本發(fā)明的有益效果是
1)該模型系統(tǒng)的顯著優(yōu)點(diǎn)在于它能自動生成反例，用來幫助調(diào)試系統(tǒng)的錯誤，用于加速系統(tǒng)診斷和調(diào)試；
2)模型驗(yàn)證能夠記錄用狀態(tài)遷移，使得協(xié)議表實(shí)現(xiàn)邏輯上建立對應(yīng)關(guān)系，并通過全局檢查器判定系統(tǒng)依照協(xié)議表的狀態(tài)遷移是否符合一致性定義；
3)擁有快的建模方式，較低的驗(yàn)證成本。


圖I是多級一致性域系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；圖2是多級一致性域系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 圖3是節(jié)點(diǎn)控制器模擬器結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式參照說明書附圖對本發(fā)明的方法作以下詳細(xì)地說明。我們將驗(yàn)證系統(tǒng)分為如圖2所示的系統(tǒng)模擬器、測試激勵自動生成器、全局檢查器、節(jié)點(diǎn)控制器模擬器，其中系統(tǒng)模擬器主要實(shí)現(xiàn)目標(biāo)系統(tǒng)的訪存操作模擬和正確性檢查工作；測試激勵產(chǎn)生器則主要用于產(chǎn)生高質(zhì)量的測試激勵；全局檢查器運(yùn)行在系統(tǒng)模擬器之上，檢查全局的數(shù)據(jù)Cache —致性并檢查系統(tǒng)是否出現(xiàn)死鎖、餓死等。下面分別論述。系統(tǒng)模擬器，該模擬器主要包括以下部分
總線功能模型模擬實(shí)現(xiàn)了處理器中Cache、存儲、以及處理器間的互連網(wǎng)絡(luò)；支持自 定義系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；提供了對訪存行為的事務(wù)級模擬支持；運(yùn)行中按照處理器直連Cache一致性協(xié)議模擬并提供系統(tǒng)中各訪存事務(wù)、Cache、存儲的實(shí)時行為和狀態(tài)；
節(jié)點(diǎn)控制器模擬器通過總線功能模型的API接口掛接在其上，模擬實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)控制器自有的多級Cache —致性協(xié)議；使用處理器Cache —致性協(xié)議消息與處理器進(jìn)行通信，并以擴(kuò)展的Cache —致性協(xié)議消息通過節(jié)點(diǎn)控制器網(wǎng)絡(luò)在各節(jié)點(diǎn)控制器之間進(jìn)行通信。完成多級域之間的一致性協(xié)議的轉(zhuǎn)換。全局檢查器運(yùn)行在整個系統(tǒng)之上，檢查全局的數(shù)據(jù)Cache —致性，對模擬系統(tǒng)中的系統(tǒng)狀態(tài)和消息流進(jìn)行實(shí)時檢查，用于發(fā)現(xiàn)模擬過程中系統(tǒng)偏離協(xié)議的行為，并檢查系統(tǒng)是否出現(xiàn)死鎖、餓死等。測試激勵生成器測試激勵生成器以隨機(jī)的速率在隨機(jī)的Cache上產(chǎn)生對同一地址的隨機(jī)種類的訪存事務(wù)，并將事務(wù)發(fā)送到總線功能模型上，總線功能模型按照處理器直連Cache —致性協(xié)議將訪存事務(wù)轉(zhuǎn)換為消息在模擬器中運(yùn)行；
協(xié)議表模擬器是節(jié)點(diǎn)控制器模擬器的核心，協(xié)議表模擬器是節(jié)點(diǎn)控制器模擬器能夠正常工作的關(guān)鍵。由于協(xié)議表是被驗(yàn)證的目標(biāo)，因此在整個驗(yàn)證過程中協(xié)議表都是可能被修改的。我們需實(shí)現(xiàn)重配置協(xié)議表，描述表模擬器動作。協(xié)議表模擬器，包括三個關(guān)鍵模塊部分入口條件查詢器、狀態(tài)轉(zhuǎn)換執(zhí)行器和協(xié)議表查詢調(diào)度器。當(dāng)節(jié)點(diǎn)控制器模擬器收到一條消息時，協(xié)議表查詢調(diào)度器開始運(yùn)作，首先入口條件查詢器按照收到的消息和當(dāng)前系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行查找，找到一個入口后轉(zhuǎn)到對應(yīng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換執(zhí)行器執(zhí)行相應(yīng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換代碼；當(dāng)滿足下一條件或應(yīng)答報(bào)文滿足解鎖排隊(duì)報(bào)文時，推進(jìn)下一項(xiàng)協(xié)議表查找過程，下面分別進(jìn)行說明
入口條件查詢器入口條件查詢器檢測當(dāng)前狀態(tài)與協(xié)議表對應(yīng)關(guān)系，協(xié)議表每項(xiàng)的狀態(tài)互斥，當(dāng)前狀態(tài)至多只能匹配一個協(xié)議表入口。該實(shí)現(xiàn)可以采用兩種方法。方法一遍歷整個協(xié)議表，直至當(dāng)前狀態(tài)匹配協(xié)議表，轉(zhuǎn)入狀態(tài)轉(zhuǎn)換執(zhí)行器，并不再執(zhí)行后續(xù)查找，防止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)換后再次查找。方法二 首先定義系統(tǒng)狀態(tài)存儲器的編碼方法由于每個狀態(tài)存儲器的取值位數(shù)是固定的，所以將所有狀態(tài)存儲器轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)后使用查找表項(xiàng)入口方式，以節(jié)約模擬運(yùn)行時間。狀態(tài)轉(zhuǎn)換執(zhí)行器協(xié)議表中所有可能進(jìn)行的狀態(tài)轉(zhuǎn)換包括兩類，共享存儲信息數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的填寫和消息的發(fā)送。共享存儲器的填寫使用通用的填寫函數(shù)，將其值作為參數(shù)傳Λ ;而消息的發(fā)送則根據(jù)發(fā)送消息的不同編寫不同消息發(fā)送函數(shù)。當(dāng)入口條件查詢器查詢到對應(yīng)的入口時，將控制權(quán)轉(zhuǎn)交到狀態(tài)轉(zhuǎn)換執(zhí)行器，狀態(tài)轉(zhuǎn)換執(zhí)行器根據(jù)協(xié)議表下一步狀態(tài)單元中讀入的值分別設(shè)定對應(yīng)的存儲器新值和發(fā)送報(bào)文。協(xié)議表調(diào)度器根據(jù)報(bào)文類型和報(bào)文目的節(jié)點(diǎn)，調(diào)度每一個報(bào)文穿越節(jié)點(diǎn)控制器 需經(jīng)歷查找的協(xié)議表。并根據(jù)完成報(bào)文，推進(jìn)對應(yīng)阻塞的報(bào)文進(jìn)入處理流程，防止報(bào)文處理的死鎖和餓死現(xiàn)象。除說明書所述的技術(shù)特征外，均為本專業(yè)技術(shù)人員的已知技術(shù)。
權(quán)利要求
1.一種Cache —致性協(xié)議軟件模擬驗(yàn)證方法，其特征在于系統(tǒng)包括I)系統(tǒng)模擬器、2)測試激勵自動生成器、3)全局檢查器，4)節(jié)點(diǎn)控制器模擬器，其中 O系統(tǒng)模擬器包括以下兩部分 (O總線功能模型模擬實(shí)現(xiàn)了處理器中Cache、存儲以及處理器間的互連網(wǎng)絡(luò)；支持自定義系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；提供了對訪存行為的事務(wù)級模擬支持；運(yùn)行中按照處理器直連Cache 一致性協(xié)議模擬并提供系統(tǒng)中各訪存事務(wù)、Cache、存儲的實(shí)時行為和狀態(tài)； (2)節(jié)點(diǎn)控制器模擬器通過總線功能模型的API接口掛接在其上，模擬實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)控制器自有的多級Cache —致性協(xié)議；使用處理器Cache —致性協(xié)議消息與處理器進(jìn)行通信，并以擴(kuò)展的Cache —致性協(xié)議消息通過節(jié)點(diǎn)控制器網(wǎng)絡(luò)在各節(jié)點(diǎn)控制器之間進(jìn)行通信，完成多級域之間的一致性協(xié)議的轉(zhuǎn)換； 2)測試激勵生成器用于產(chǎn)生高質(zhì)量的測試激勵；測試激勵生成器以隨機(jī)的速率在隨機(jī)的Cache上產(chǎn)生對同一地址的隨機(jī)種類的訪存事務(wù)，并將事務(wù)發(fā)送到總線功能模型上，總線功能模型按照處理器直連Cache —致性協(xié)議將訪存事務(wù)轉(zhuǎn)換為消息在模擬器中運(yùn)行； 3)全局檢查器運(yùn)行在整個系統(tǒng)模擬器之上，檢查全局的數(shù)據(jù)Cache—致性,對模擬系統(tǒng)中的系統(tǒng)狀態(tài)和消息流進(jìn)行實(shí)時檢查，用于發(fā)現(xiàn)模擬過程中系統(tǒng)偏離協(xié)議的行為，并檢查系統(tǒng)是否出現(xiàn)死鎖、餓死； 4)協(xié)議表模擬器，是節(jié)點(diǎn)控制器模擬器的核心，協(xié)議表模擬器是節(jié)點(diǎn)控制器模擬器能夠正常工作的關(guān)鍵，由于協(xié)議表是被驗(yàn)證的目標(biāo)，因此在整個驗(yàn)證過程中協(xié)議表都是可能被修改的，我們需實(shí)現(xiàn)重配置協(xié)議表，描述協(xié)議表模擬器動作，該協(xié)議表模擬器包括三個關(guān)鍵模塊部分入口條件查詢器、狀態(tài)轉(zhuǎn)換執(zhí)行器和協(xié)議表查詢調(diào)度器，當(dāng)節(jié)點(diǎn)控制器模擬器收到一條消息時，協(xié)議表查詢調(diào)度器開始運(yùn)作，首先入口條件查詢器按照收到的消息和當(dāng)前系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行查找，找到一個入口后轉(zhuǎn)到對應(yīng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換執(zhí)行器執(zhí)行相應(yīng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換代碼；當(dāng)滿足下一條件或應(yīng)答報(bào)文滿足解鎖排隊(duì)報(bào)文時，推進(jìn)下一項(xiàng)協(xié)議表查找過程，下面分別進(jìn)行說明 入口條件查詢器入口條件查詢器檢測當(dāng)前狀態(tài)與協(xié)議表對應(yīng)關(guān)系，協(xié)議表每項(xiàng)的狀態(tài)互斥，當(dāng)前狀態(tài)至多只能匹配一個協(xié)議表入口，該實(shí)現(xiàn)采用兩種方法，方法一遍歷整個協(xié)議表，直至當(dāng)前狀態(tài)匹配協(xié)議表，轉(zhuǎn)入狀態(tài)轉(zhuǎn)換執(zhí)行器，并不再執(zhí)行后續(xù)查找，防止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)換后再次查找；方法二 首先定義系統(tǒng)狀態(tài)存儲器的編碼方法由于每個狀態(tài)存儲器的取值位數(shù)是固定的，所以將所有狀態(tài)存儲器轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)后使用查找表項(xiàng)入口方式，以節(jié)約模擬運(yùn)行時間； 狀態(tài)轉(zhuǎn)換執(zhí)行器協(xié)議表中所有可能進(jìn)行的狀態(tài)轉(zhuǎn)換包括兩類，共享存儲信息數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的填寫和消息的發(fā)送，共享存儲器的填寫使用通用的填寫函數(shù)，將其值作為參數(shù)傳入；而消息的發(fā)送則根據(jù)發(fā)送消息的不同編寫不同消息發(fā)送函數(shù)，當(dāng)入口條件查詢器查詢到對應(yīng)的入口時，將控制權(quán)轉(zhuǎn)交到狀態(tài)轉(zhuǎn)換執(zhí)行器，狀態(tài)轉(zhuǎn)換執(zhí)行器根據(jù)協(xié)議表下一步狀態(tài)單元中讀入的值分別設(shè)定對應(yīng)的存儲器新值和發(fā)送報(bào)文； 協(xié)議表調(diào)度器根據(jù)報(bào)文類型和報(bào)文目的節(jié)點(diǎn)，調(diào)度每一個報(bào)文穿越節(jié)點(diǎn)控制器需經(jīng)歷查找的協(xié)議表，并根據(jù)完成報(bào)文推進(jìn)對應(yīng)阻塞的報(bào)文進(jìn)入處理流程，防止報(bào)文處理的死鎖和餓死現(xiàn)象。
全文摘要
本發(fā)明提出一種Cache一致性協(xié)議軟件模擬驗(yàn)證方法,該方法是軟件模擬驗(yàn)證可通過人工方式撰寫約束模型同時進(jìn)行帶約束的偽隨機(jī)測試，對于特定的目標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證，并反饋協(xié)議的正確性與缺陷。基于軟件模擬的方法，首先確定基于擴(kuò)展型Cache Coherence協(xié)議的多級一致性描述方式，然后實(shí)現(xiàn)一種軟件模擬驗(yàn)證的方法并統(tǒng)計(jì)覆蓋率和進(jìn)行錯誤匯報(bào)。本方法可以有效驗(yàn)證多狀態(tài)空間下多級域的Cache Coherence一致性協(xié)議，使得協(xié)議表實(shí)現(xiàn)邏輯上建立對應(yīng)關(guān)系，并通過全局檢查器判定系統(tǒng)依照協(xié)議表的狀態(tài)遷移是否符合一致性定義，并初步判斷依照該協(xié)議表構(gòu)建的模型是否具有期望的性質(zhì)。該模型系統(tǒng)的顯著優(yōu)點(diǎn)在于它能自動生成反例，用來幫助調(diào)試系統(tǒng)的錯誤，用于加速系統(tǒng)診斷和調(diào)試。
文檔編號G06F11/26GK102880537SQ201210329080
公開日2013年1月16日 申請日期2012年9月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月7日
發(fā)明者張峰, 陳繼承 申請人:浪潮電子信息產(chǎn)業(yè)股份有限公司