gem5 arm架构 fullsystem spec2017 benchmark 仿真

gem5 system emulation 模式，内部实现了对system call的模拟，使用了一段时间后，有一些发现:

  1. 如果使用spec2017 X86编译，那么会存在对intel比较新的指令不支持的问题；后来使用gcc march K6 m32来解决，即使用amd的k6 32bit编译，但是这也只是权宜之计
  2. gem5的开发人员在邮件list中介绍intel对gem5的译码支持比较差，最开始gem5的x86也是基于amd的
  3. 很多论文中使用了ARM架构，gem5的开发人员也和ARM合作比较紧密，所以gem5对arm架构的指令支持比较好
  4. 即使使用上面的方法，se模式还是会遇到gem5没有模拟的system call函数的问题
  5. 同时还会遇到环境的问题，比如549.fotonik3d，需要手动将input输入的压缩文件OBJ.dat.xz手动解压之后才能运行
    “”
    因为上述的问题，在邮件list中可以看出gem5的开发人员比较倾向于使用full system模式，用他的话就是"works magically"。

X86 full system

如果使基于X86 Ubuntu系统模拟gem5 arch，制作disk image比较简单，可以git clone gem5 resource, 在spec2017文件夹下放入spec2017.iso，调用build.sh自动调用packer将spec2017装入ubuntu的disk image生成spec-2017。

 ./build/X86/gem5.fast --outdir=./m5out/ configs/example/gem5_library/x86-spec-cpu2017-benchmarks.py --image=path/spec-2017 --benchmark=505.mcf_r --size=ref --partition=1

这里需要强调的是，gem5中介绍了多次qemu-kvm, 但是qemu-kvm并不是在X86架构中生成disk image和真正运行gem5时必须的工具。
在gem5中引入它的主要作用就是在boot阶段使用qemu，在真实的cpu上运行boot 阶段，进行加速，实际上如果我们在云服务器上跑，如果没有qemu软件或者权限，只是使用atomic cpu跑boot也是比较快的。
就是不要被qemu迷惑，fullsystem gem5可以理解成在gem5上跑app，不过这个app是os，单纯的用atomic cpu跑也没有任何问题。

ARM full system

X86 full system的问题是memory最大支持3GB，目前看gem5的设置是不支持5GB 6GB这样的设置。
我们介绍一下如何生成gem5的disk image。
首先看一下最终成功运行full system 使用的指令:

./build/ARM/gem5.fast -d ./m5out/ARM/fullsystem64/spec2017 ./configs/example/fs.py  
--kernel 2022/binaries/vmlinux.arm64 
--disk-image path/expanded-aarch64-ubuntu-trusty-headless.img 
--bootloader 2022/binaries/boot.arm64 --mem-type=DDR4_2400_4x16 
--param 'system.highest_el_is_64 = True' 
--script=./m5out/ARM/fullsystem64/spec2017_restore/spec2017.rcS

kernel 我的理解就是os内核程序，disk image则是装载了benchmark的磁盘镜像。
内核程序与我们无关，我们可以直接使用，disk image 则需要我们手动装载。
image kernel
![我是用的就是这两个文件](https://img-blog.csdnimg.cn/97fe6c7e804f4804a1382f7b9fabc9d5.png
script这里指定的是一个script

#!/bin/bash
source /root/.bashrc
/sbin/m5 checkpoint 1
echo "A real multi node workload might start here ..."
cd /home/gem5/spec2017
source shrc
echo "Reset stats"
/sbin/m5 resetstats
runcpu --size test --iterations 1 --config myconfig.aarch64.cfg  --nobuild 605.mcf_s
/sbin/m5 exit 1

通过指定这个script，gem5在boot成功后，运行这个script，就调用了脚本内的runcpu，自动运行了spec2017对应的app。
如果我们不指定这个script，那么如果不对disk image进行任何修改，那么boot成功后，要求输入用户名和密码，输入root可以进入，不过这个操作比较麻烦，还是建议指定script。

现在唯一需要的工作就是实现disk image，这里帮助对我很大的就是这篇博客](https://www.eecg.utoronto.ca/~elsayed9/website/blog/gem5_fs_arm_flow.php)。
首先遇到的问题就是官方提供的image 1GB或者2GB，然而spec2017有4GB我们需要对image进行扩容。按照博客的操作如下

$ # Backup the original disk image if needed
$ cp aarch64-ubuntu-trusty-headless.img expanded-aarch64-ubuntu-trusty-headless.img
$ # Increase disk image by 2G
$ dd if=/dev/zero bs=1G count=2 >> expanded-aarch64-ubuntu-trusty-headless.img
$ sudo parted expanded-aarch64-ubuntu-trusty-headless.img resizepart 1 100%
              
$ # Parse some info for 'losetup' and 'mount' later
$ name=$(sudo fdisk -l expanded-aarch64-ubuntu-trusty-headless.img | tail -1 | awk -F: '{ print $1 }' | awk -F" " '{ print $1 }')
$ start_sector=$(sudo fdisk -l expanded-aarch64-ubuntu-trusty-headless.img | grep $name | awk -F" " '{ print $2 }')
$ units=$(sudo fdisk -l expanded-aarch64-ubuntu-trusty-headless.img | grep Units | awk -F" " '{ print $8 }')
              
$ # Attach to device and record output, to me it was /dev/loop18                                                               
$ sudo losetup -f --show expanded-aarch64-ubuntu-trusty-headless.img -o $(($start_sector*$units))                         
              
$ sudo e2fsck -f /dev/loop18  # Fix potential errors, press Y for all fixes
$ sudo resize2fs /dev/loop18  # Actual resizing step
$ sudo e2fsck -f /dev/loop18  # Double check there are no errors
              
$ sudo losetup -d /dev/loop18 # Detach from the loop device
              
$ # Mount image and check new size
$ mkdir disk_mnt
$ sudo mount -o loop,offset=$(($start_sector*$units)) expanded-aarch64-ubuntu-trusty-headless.img disk_mnt
$ df -h # Should show the new expanded image size with the Used and Avail for disk_mnt
$ sudo umount disk_mnt

扩容之后 mount image，下面就是要安装spec2017到这个disk image了。
这里建议看一下 gem5-resources/src/spec-2017/disk-image/spec-2017/install-spec2017.sh 这个是装载spec2017到x86 os的过程，我们装载spec2017到arm，可以按照这个流程来。
gem5 resources的路径

1. sudo chroot . #将当前mount目录切换为主目录
2. 创建/home/gem5/文件夹 将cpu_spec2017.iso拷贝到这个文件夹
3. 按照cpu_spec2017.iso的install流程，mount cpu_spec2017.iso 然后install.sh
4. install 之后，我们可以build，生成spec2017的可执行文件等。建议参考install-spec2017.sh

disk image中已经有gcc aarch64的编译工具，因此我们不需要额外再安装gcc aarch64，还是比较方便的。
我们将spec2017安装到了/home/gem5/，再结合一下刚才介绍的spec2017.rcS，就能看出来这个script的作用实际上就是进入文件夹，然后runcpu。

我们看一下效果
full system运行
大约1Billion指令之后，大约半小时，完成boot。再执行3.3Billion的指令进入真实的runcpu仿真。

最后在介绍一下./util/term/m5term 3460。
在gem5开始运行后，会显示system.terminal listening for connections on port NUMBER
在这里插入图片描述
这时我们另开一个terminal，输入./util/term/m5term NUMBER，即可观察到当前os具体运行到哪一步，而上面说的，如果不指定script，需要手动输入root也是在这里。

对我帮助很大的两篇博客:
https://www.eecg.utoronto.ca/~elsayed9/website/blog/gem5_fs_arm_flow.php
https://lucian.run/2021/10/03/gem5%20FS/

在这里插入图片描述