TraceSim

TraceSim 是一个面向研究用途的 trace-driven、乱序 CPU/内存模拟器。当前版本重点支持三类实验：

• 分支预测器
• Cache 预取器
• Cache 替换策略

它不是 gem5 或 ChampSim 的完整替代品，但已经具备做基础性能归因和基础预取评估所需的最小骨架：有状态 cache、在途 miss 跟踪、未来回填、可插拔组件接口，以及简化版 top-down 归因。

当前架构

当前代码大致分成四块：

• Frontend
  • 负责从 trace/ref model 取指
  • 做 I-Cache 访问
  • 做分支预测与 redirect / mispredict stall
• TraceSim
  • 负责主循环
  • 维护 ROB、IQ、寄存器 ready time
  • 串起前端、后端、Profiler、MemSubsystem
• LoadStoreUnit
  • 负责 load/store 发射
  • 处理 store dependence 与 STLF
  • 通过 MemSubsystem 发起 D-Cache 访问
• MemSubsystem
  • 统一管理 I-Cache / D-Cache / LLC
  • 管理 prefetch queue
  • 处理 request / merge / future return / fill

当前已经支持的研究接口

1. Branch Predictor

接口文件：

• trace_sim/frontend/BranchPredictor.h

当前内置：

• GSHARE
• ALWAYS_TAKEN
• ALWAYS_NOT_TAKEN
• PROBABILISTIC
• PERFECT

其中：

• PROBABILISTIC
• PERFECT

属于 oracle 模式，不走真实 BPU 对象。

2. Prefetcher

接口文件：

• trace_sim/mem/Prefetcher.h

当前内置：

• NONE
• NEXT_LINE
• PC_STRIDE

预取器只生成候选地址，真正能不能发出、是否被过滤、是否会占用在途资源，交给 MemSubsystem 和 Cache 决定。

3. Replacement Policy

接口文件：

• trace_sim/mem/ReplacementPolicy.h

当前内置：

• LRU
• FIFO

当前内存系统能力

当前的存储层次已经不是“纯 hit/miss 固定延迟函数”，而是有状态模型：

• 维护 set / way / tag / valid
• 维护 replacement metadata
• 维护 in-flight request table
• 支持 demand miss merge
• 支持 prefetch request 走正常 request/fill 路径
• line 返回前不会被错误当成 hit
• 支持 useful / useless / late prefetch 这类基础统计

当前模型仍然是简化版，不等同于完整的现代处理器内存系统。比如现在还没有：

• 独立的 prefetch MSHR 配额
• 多级 prefetch 协同策略
• 很细的 bandwidth / port arbitration

Top-down 归因

当前 Profiler 输出的桶包括：

• Retiring
• Bad Speculation
• Frontend Bound
• Memory Bound
• Core Bound
• Other/Bubbles

目前的核心口径是：

• 只要该周期有退休，归到 Retiring
• 如果 ROB head 因 load 等内存，归到 Memory Bound
• 其他后端停顿归到 Core Bound
• 前端 stall 且原因是误预测，归到 Bad Speculation
• 其他前端 stall 归到 Frontend Bound

这是一个有意简化过的、适合当前 trace 模型的实现，不是 Intel 原版 top-down 的完全复刻。

编译与运行

编译：

make -j4

运行一个 trace 模式样例：

./a.out --mode trace binary/parser-125k.bin --max-insts 200000

如果只想快速看默认配置下的统计，改 trace_sim/SimConfig.h 后重新编译即可。

建议阅读顺序

• 架构总览：doc/Architecture.md
• 分支预测：doc/BranchPrediction.md
• 预取实现：doc/Prefetching.md
• 替换策略：doc/CachePolicy.md
• Top-down 归因：doc/TopDownGuide.md
• 扩展接口：doc/EXTENDING_COMPONENTS.md