Gem5 Garnet互连网络环境安装与程序测试_garnet_standalone

1. 背景

Gem5

Gem5模拟器是计算机系统体系结构研究的模块化平台，包括系统级体系结构和处理器微体系结构。Gem5最初是为学术界的计算机体系结构研究而设计的，但它已被学术界、研究行业和教学界用于计算机系统设计。

Gem5的官网：https://www.gem5.org/
Gem5的github：https://github.com/gem5/gem5

Garnet
Garnet是Gem5中的互连网络模型，会随着Gem5的更新而更新。目前最新版本Gem5所包含的Garnet版本是Garnet 3.0（划重点，后面会用到），也就是HeteroGarnet。

参考网址：https://www.gem5.org/2020/05/27/heterogarnet.html
参考视频：https://www.youtube.com/embed/AH9r44r2lHA

Heterogrante改进了广受欢迎的Garnet2.0网络模型，实现了对新兴互连系统的精确模拟。具体而言，Heterogrante增加了对时钟域孤岛（clock-domain islands）、支持多个频域的网络交叉点（network crossings）以及能够连接到多个物理链路的网络接口控制器的支持。它还通过引入新的可配置SerDes组件来支持可变带宽链路和路由器。

**Garnet的参考论文：**Bharadwaj S, Yin J, Beckmann B, et al. Kite: A family of heterogeneous interposer topologies enabled via accurate interconnect modeling[C]//2020 57th ACM/IEEE Design Automation Conference (DAC). IEEE, 2020: 1-6.

---

2. Garnet的网络教学资源

通过最近对软件定义晶上系统（Software Defined System on Wafer，SDSoW）、以及chiplet系统的研究，发现许多高水平论文均使用Garnet作为互连（Interconnection）系统的仿真软件。而Garnet的网络教学资源相对较少，且更新不够及时，现有的主要资源如下：

Gem5的官方文档：

地址：https://www.gem5.org/documentation/general_docs/ruby/garnet-2/

主要缺点：仍然处于Garnet2.0阶段，然而最新代码已经是Garnet3.0（Heterogrante），导致部分代码和现有文档不对应

佐治亚理工大学的NoC系列课程及实验：

课程链接：https://tusharkrishna.ece.gatech.edu/teaching/icn_s22/

实验链接：https://tusharkrishna.ece.gatech.edu/teaching/garnet_gt/

目前最新的是2022年春季的课程，有条件的可以学一下，里面有PPT和NoC实验，但是实验中的Gem5版本比较陈旧。

---

3. Gem5的下载、编译及运行

Gem5的相关依赖下载：

这部分参考Gem5的官方文档进行配置：

https://www.gem5.org/documentation/general_docs/building

以本机所在的Ubuntu 18.04为例，需要配置的依赖有（Gem5版本高于v21.0）：

• git : gem5 uses git for version control.
• gcc: gcc is used to compiled gem5. Version >=7 must be used. We support up to gcc Version 11.
• Clang: Clang can also be used. At present, we support Clang 6 to Clang 11 (inclusive).
• SCons : gem5 uses SCons as its build environment. SCons 3.0 or greater must be used.
• Python 3.6+ : gem5 relies on Python development libraries. gem5 can be compiled and run in environments using Python 3.6+.
• protobuf 2.1+ (Optional): The protobuf library is used for trace generation and playback.
• Boost (Optional): The Boost library is a set of general purpose C++ libraries. It is a necessary dependency if you wish to use the SystemC implementation.

可以在终端中进行安装：

sudo apt install build-essential git m4 scons zlib1g zlib1g-dev \
libprotobuf-dev protobuf-compiler libprotoc-dev libgoogle-perftools-dev \
python3-dev python libboost-all-dev pkg-config
1
2
3

此外，推荐安装pydot，这样能够在仿真时同步生成系统结构图，pydot的链接是https://pypi.org/project/pydot/#description

首先将pydot从上面的网址下载下来，而后解压后在目录内执行

sudo python setup.py install
1

Gem5下载与编译：

从Gem5的Github上对项目进行clone：

git clone https://github.com/gem5/gem5.git
1

对Gem5进行编译，协议选择Garnet_standalone，j后面的参数推荐填写「本机的CPU核心数+1」。例如我的电脑是4核心的，那么j后面填写5。

scons build/NULL/gem5.opt PROTOCOL=Garnet_standalone -j 5
1

这里输入回车确定，然后进入编译流程，时间可能比较长

编译完成后的效果如下图所示

一些实用的小工具：

可以利用脚本文件自动收集所关注的参数，参考实验课程中的extract_network_stats.sh，其代码如下，可以自行复制保存到gem5的根目录中

echo > network_stats.txt
grep "packets_injected::total" m5out/stats.txt | sed 's/system.ruby.network.packets_injected::total\s*/packets_injected = /' >> network_stats.txt
grep "packets_received::total" m5out/stats.txt | sed 's/system.ruby.network.packets_received::total\s*/packets_received = /' >> network_stats.txt
grep "average_packet_queueing_latency" m5out/stats.txt | sed 's/system.ruby.network.average_packet_queueing_latency\s*/average_packet_queueing_latency = /' >> network_stats.txt
grep "average_packet_network_latency" m5out/stats.txt | sed 's/system.ruby.network.average_packet_network_latency\s*/average_packet_network_latency = /' >> network_stats.txt
grep "average_packet_latency" m5out/stats.txt | sed 's/system.ruby.network.average_packet_latency\s*/average_packet_latency = /' >> network_stats.txt
grep "flits_injected::total" m5out/stats.txt | sed 's/system.ruby.network.flits_injected::total\s*/flits_injected = /' >> network_stats.txt
grep "flits_received::total" m5out/stats.txt | sed 's/system.ruby.network.flits_received::total\s*/flits_received = /' >> network_stats.txt
grep "average_flit_queueing_latency" m5out/stats.txt | sed 's/system.ruby.network.average_flit_queueing_latency\s*/average_flit_queueing_latency = /' >> network_stats.txt
grep "average_flit_network_latency" m5out/stats.txt | sed 's/system.ruby.network.average_flit_network_latency\s*/average_flit_network_latency = /' >> network_stats.txt
grep "average_flit_latency" m5out/stats.txt | sed 's/system.ruby.network.average_flit_latency\s*/average_flit_latency = /' >> network_stats.txt
grep "average_hops" m5out/stats.txt | sed 's/system.ruby.network.average_hops\s*/average_hops = /' >> network_stats.txt
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12

---

4. 基于8*8 Mesh NoC同构网络的demo仿真

仿真参数

仿真实验主要目标

通过设定不同的注入率（–injectionrate参数），来观察NoC系统的仿真运行结果，主要关注的指标有：

• 总发包数量
• 总收包数量
• 平均包排队延迟
• 平均包网络延迟
• 平均包延迟（等于平均包排队延迟+平均包网络延迟）
• 平均跳数

仿真实验配置与代码

在Gem5的根目录下，输入其命令行代码：

./build/NULL/gem5.opt configs/example/garnet_synth_traffic.py \
--network=garnet \
--num-cpus=64 \
--num-dirs=64 \
--topology=Mesh_XY \
--mesh-rows=8 \
--sim-cycles=10000 \
--inj-vnet=0 \
--injectionrate=0.02 \
--synthetic=uniform_random 
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10

仿真结束后如下图所示

之后，可以利用extract_network_stats.sh脚本生成network_stats.txt，观察一下结果

可以发现，在仿真参数下，共发包12690个，收包12682个，平均的包时延在15.51cycle，平均包的跳数在5.23跳。

---

5. 佐治亚理工大学的NoC课程实验的代码问题和BUG分析

课程实验中的原始代码

./build/Garnet_standalone/gem5.debug configs/example /garnet_synth_traffic.py \
--network=garnet2.0 \
--num-cpus=64 \
--num-dirs=64 \
--topology=Mesh_XY \
--mesh-rows=8 \
--sim-cycles=10000 \
--inj-vnet=0 \
--injectionrate=0.02 \
--synthetic=uniform_random
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10

存在的主要问题：

1. 编译的路径和gem5官方目录不同（./build/Garnet_standalone/gem5.debug）
   解决方法：以最新版的Gem5为准，所输入的仿真代码如前文所示
2. 仍然使用garnet2.0网络类型，然而现在已经不再被支持了，所以在运行时会发生报错
   解决方法：–network参数输入garnet而不是garnet2.0
3. 编译参数选择gem5.debug而不是gem5.opt
   其实也不算是错误，但是使用opt有一定好处（This gives a good balance between the speed of the simulation and insight into what’s happening in case something goes wrong）

---

6. 最新版Gem5（版本v21.2.1.1）包的平均时延仿真结果过大/发包数量过少的原因分析

在本人实验的过程中，遇到了如下问题：

1. 包的平均时延特别大，基本上处于几千到几万
   
2. 发包和收包的数量都特别少，有时甚至为0
   

而根据一般情况而言，在一个8*8规模的mesh下，NoC在注入率为0.02，包的平均延迟不会这么大，发包的数量也不会为个位数。

经过调研，发现是新版本的Gem5在garnet_synth_traffic.py中将Global Frequency设置成了1000Ghz，也就是1ps执行一个cycle，系统仿真速度过快。因此就显得仿真参数中的时间过于短暂，以至于还没有大规模发包之前，仿真实际上已经结束了。

观察代码找原因

在Gem5 v 21.2.1.1中，全局频率设置为1ps

在较老版本的Gem5（例如v20.0.0.3）中，全局频率设置为1ns

因此可以考虑将全局频率回调，之后仿真的时延结果就基本符合预期了

仿真结果