Emuláció

Az emuláció ( angolul  emulation ) a számítástechnikában  szoftverek, hardverek vagy ezek kombinációinak olyan komplexuma, amelyet arra terveztek, hogy az egyik számítástechnikai rendszer ( vendég ) funkcióit átmásolják (vagy emulálják ) egy másik számítógépre , amely különbözik az első számítógépes rendszertől ( host ) oly módon, hogy az emulált viselkedés a lehető legjobban megfeleljen az eredeti rendszer ( guest ) viselkedésének. A cél a viselkedés minél pontosabb reprodukálása, szemben a számítógépes szimuláció különféle formáival., amelyben valamilyen absztrakt modell viselkedését szimulálják. Például egy hurrikán vagy egy kémiai reakció szimulálása nem emuláció.

Emuláció a számítástechnikában

Az emuláció egy eszközben lévő számítógépes program azon képességére utal, hogy emuláljon ( szimuláljon ) egy másik programot vagy eszközt. Például sok nyomtatót úgy terveztek, hogy emulálják a HP Laserjet nyomtatókat , mivel ezekhez a nyomtatókhoz nagy mennyiségű szoftver áll rendelkezésre. Ha egy nem HP nyomtató emulál egy HP nyomtatót, akkor a HP nyomtatókhoz tervezett bármely program képes lesz nem HP nyomtatókkal együttműködni, és azonos kimenetet produkálni.

A hardveres emulációt külön eszközként készült emulátorok képviselik. Például a DOS-kompatibilis kiegészítő kártyák, mint a Centris 610 és a Performa 630, amelyeket néhány Macintosh -ra telepítettek, hogy lehetővé tegyék a DOS-programok PC -ről történő futtatását . Egy másik példa az FPGA - alapú hardveremulátorok .

Elméletileg a Church-Turing tézis szerint bármely működési környezet emulálható egy másikon. A gyakorlatban azonban ez gyakran rendkívül nehéz, mert az emulált rendszer pontos viselkedése nincs dokumentálva, és csak visszafejtéssel határozható meg. A dolgozat nem mondja ki azt sem, hogy ha az emuláció teljesítménye kisebb, mint az eredeti rendszeré, akkor az emulált szoftver lényegesen lassabban fog futni, mint az eredeti hardveren kellene, ami emuláció leállását vagy instabil teljesítményét okozhatja.

Elektronikus archiválás

Az emuláció az elöregedő számítástechnikai rendszerek elektronikus archiválásának egyik módja . Ebben az értelmezésben az emuláció célja az eredeti digitális környezet hű reprodukálása, amelynek megvalósítása nehéz és időigényes lehet, de értékes, mert lehetőség nyílik a hiteles digitális tárggyal való szoros kapcsolat kialakítására [1] .

Az emuláció az eredeti digitális eszköz hardver- és szoftverkörnyezetét kezeli , és egy modern gépen újraalkotja [2] . Az emuláció lehetővé teszi a felhasználó számára, hogy bármilyen típusú alkalmazásszoftverhez vagy operációs rendszerhez hozzáférjen egy modern platformon, miközben a szoftver ugyanúgy fut, mint az eredeti környezetben [3] . Jeffrey Rothenberg, az emuláció elektronikus archiválási alkalmazásának egyik korai támogatója úgy véli, hogy „az ideális egyetlen bővíthető, hosszú távú megoldás lenne, amelyet egyszer és mindenkorra ki lehet fejleszteni, és amelyet egységesen, automatikusan és szinkronban alkalmaznának. például minden frissítési ciklus) minden típusú dokumentumra és adathordozóra” [4] . Megjegyzi továbbá, hogy ennek a megoldásnak nem csak a régi rendszerekre kell vonatkoznia, hanem könnyen hordozhatónak kell lennie a még ismeretlen jövőbeli rendszerekre is [5] . A gyakorlatban, ha egy alkalmazás új verzióját adják ki annak érdekében, hogy biztosítsák a kompatibilitást és az összes összetevő migrációját, akkor ehhez az alkalmazáshoz létre kell hozni egy emulátort, amely hozzáférést biztosít az összes említett összetevőhöz.

Előnyök

• Az emuláció megőrzi az eredeti rendszerek megjelenését, érzetét és hangulatát is, ami ugyanolyan fontos, mint maga az adat [3] .
• Az emulátor létrehozásának kezdeti magas költségei ellenére az emulátorok idővel költséghatékonyabb megoldássá válhatnak [6] .
• Csökkenti a munkaerőköltségeket, mivel az egyes digitális objektumok adatainak hosszú és folyamatos migrációs munkája helyett, amikor a múlt és a jelenlegi alkalmazáskönyvtárakat és operációs rendszereket viszi be az emulátorba, ugyanazok a technológiák használhatók az összes dokumentumhoz [3 ] .
• Számos emulátort fejlesztettek ki és tesznek elérhetővé a GNU General Public License alatt nyílt forráskódú szoftverként , kiterjesztve az együttműködés hatókörét [2] .
• Az emuláció lehetővé teszi, hogy kizárólag az egyik platformhoz tartozó szoftvert használjon egy másik platformon. Például a PlayStation 2 -re kizárólagos játékokat elméletileg PC -n vagy Xbox 360 -on is emulálni lehetne . Ez különösen akkor hasznos, ha az eredeti rendszer nehezen beszerezhető, vagy nem kompatibilis a modern hardverrel (például előfordulhat, hogy a régebbi játékkonzolok műszakilag nem kompatibilisek a modern tévékkel).

Akadályok

• Szellemi tulajdon . Sok technológiai vállalat nem szabványosított funkciókat használ termékfejlesztése során, hogy piaci rést alakítson ki, és folyamatosan javítja a termék versenyképességét. Noha ennek az az előnye, hogy technológiai termékekkel telítik a piacot, és növeli a termék piaci részesedését, jelentős problémákat okoz az archiválásban részt vevő felhasználók számára az összes szükséges dokumentáció hiánya miatt, mivel a hardver és a szoftver eredendően védett [7] ] .
• A szerzői jogi törvények továbbra sem szabályozzák az emulátorba épített, védett berendezések és programok dokumentációjának és specifikációinak védelmét [8] .
• Az emulációt gyakran kalóz célokra használják , mivel az emulátorok mentesítik a felhasználót az eredeti set- top box megvásárlásától, és ritkán tartalmaznak olyan eszközöket, amelyek megakadályozzák az illegális másolatok használatát. Ez jelentős bizonytalansághoz vezet az emuláció jogi státuszával kapcsolatban, és ahhoz a tényhez vezet, hogy a szoftver olyan eszközökkel van beágyazva, amelyek megakadályozzák annak működését, ha emulátoron futnak. A számítógépes játékokban a felhasználó néha folytathatja a játékot, de a következő szinteken a játék lehetetlenné válhat, amit vagy gondatlan programozóként , vagy egyszerűen túlzott bonyolultságként érzékelnek [9] [10] . Az ilyen védelem hozzájárul a pontosabb emulátorok létrehozásához, amelyek nem váltanak ki szoftvervédelmet, ami gyakran nem nyilvánvaló.

Médiaművészet

Mivel a médiaművészet elsősorban digitális formátumban készül, az emuláció rendkívül fontos számára az elektronikus archiválás eszközeként. Az olyan figurák, mint Cory Arcangel, visszaszerzik az elavult technológiákat, és felhasználják azokat munkájuk során, felértékelve a decentralizált és informális folyamat fontosságát a digitális kultúra megőrzésében.

Az emulációt gyakran használják a médiaművészetben a digitális információk megőrzésének eszközeként, amelyet később változatlan formában reprodukálnak, függetlenül az elöregedő és elavult berendezésektől. A paradoxon az, hogy emulációt és emulátorokat kell építeni, hogy futhassanak a jövő gépein [11] .

Emuláció használata új rendszerek fejlesztéséhez

Az emuláció különböző típusait széles körben használják új rendszerek fejlesztése és tervezése során. Az emuláció leegyszerűsíti a fejlesztést azáltal, hogy lehetővé teszi a tervezési hiányosságok azonosítását, kivizsgálását és kijavítását a fizikai megvalósítás előtt [12] . Az emuláció különösen hasznos a többmagos rendszerek fejlesztésében, ahol a párhuzamos feldolgozási konfliktusokat gyakran meglehetősen nehéz azonosítani és diagnosztizálni az emulációval elérhető virtuális vezérelt hardver használata nélkül [13] . Ezenkívül az emuláció lehetővé teszi, hogy a hardver tényleges gyártása előtt elkezdjen szoftverfejlesztést [14] , így ellenőrizni a benne rejlő jellemzőket.

Az emuláció típusai

A legtöbb létező emulátor csak a . Így ha ROM-ban tárolt operációs rendszerre vagy más szoftverre van szükség, azt külön be kell szerezni (de emulálható is). A jövőben az operációs rendszert és a szoftvert is ugyanúgy értelmezi majd az emulátor, mint az eredeti hardveren. Az emulált bináris gépi kódok értelmezőjén kívül néhány egyéb berendezést (például bemeneti és kimeneti eszközöket) is emulálni kell. Például, ha egy adott memóriaterületre írva valamit megjeleníteni kell a képernyőn, akkor ezt a viselkedést is emulálni kell.

A limitben az emulátornak az eredeti áramköri terv paraméterei és jellemzői alapján létrehozott modellből kell indulnia, beleértve a virtuális tápegységet is, de a gyakorlatban ez kivételes megoldás lenne. Az emulátorok általában a rendelkezésre álló dokumentációra és az eszköz logikai diagramjára épülő modellből indulnak ki. Egyes rendszerek emulációjához fontos a nagy emulációs pontosság, egészen az egyes elemek órajelétől, a nem dokumentált funkciókig, a kiszámíthatatlan analóg komponensekig és hibákig. Ez különösen fontos a klasszikus otthoni számítógépek, például a Commodore 64 emulátorainak implementálásakor, amelyekhez a programok gyakran a játék készítői és a demoscene által kifejlesztett kifinomult, alacsony szintű programozási technikákat alkalmaznak .

Ezzel szemben néhány más eszköz nagyon korlátozott közvetlen hozzáféréssel rendelkezett a hardverhez. Ilyen esetekben egy egyszerű kompatibilitási réteg is elegendő lehet. Az emulált program rendszerkérelmei a gazdagép rendszerkérelmeivé alakulnak, vagyis a FreeBSD , NetBSD és OpenBSD rendszerek a Linux kompatibilitási réteget használják zárt forráskódú Linux alkalmazások futtatására . Például a Nintendo 64 GPU -ja teljesen programozható volt, és a legtöbb játékfejlesztő beágyazott gyári programokat használt, amelyek önállóak voltak, és FIFO pufferen keresztül kommunikáltak a játékkal . Ezért sok emulátor egyáltalán nem emulálja a GPU-t, ehelyett ugyanúgy értelmezi a CPU-parancsokat, mint az eredeti program.

A beágyazott rendszerekhez és játékkonzolokhoz való programok fejlesztői gyakran nagyon pontos emulátorokra, úgynevezett szimulátorokra építik termékeiket , mielőtt fizikai hardveren futtatnák azokat. Erre azért van szükség, hogy a végleges hardververzió megjelenése előtt létre tudjon hozni és tesztelni lehessen, valamint gyorsan lehessen hibakeresni a programot anélkül, hogy időt vesztegetne másolásra és hibakereső mellékhatások bevezetésére . A szimulátort sok esetben a hardvergyártó építi és biztosítja, aminek elméletileg növelnie kell a pontosságát.

A matematikai koprocesszor emulációt matematikai utasításokkal összeállított programok futtatására használják olyan gépeken, ahol nincs társprocesszor telepítve, ahol a CPU extra terhelése negatívan befolyásolhatja a teljesítményt. Ha a társprocesszor nincs telepítve és nincs beépítve a CPU-ba, egy matematikai utasítás végrehajtásakor egy megszakítást (nincs társprocesszor) hívunk meg, elindítva a matematikai emulátor szubrutint. Az utasítás sikeres végrehajtása után a vezérlés visszakerül a programhoz.

Az emulátor szerkezeti összetétele

Az emulátor általában több modulból áll , amelyek mindegyike az eredeti eszköz külön emulált alrendszerének felel meg. A legáltalánosabb esetben az emulátor a következő blokkokból áll:

• CPU emuláció vagy szimulációs modul (ebben az esetben a kifejezések majdnem egyenértékűek);
• memória alrendszer emulációs modul;
• emulációs modulok különféle I/O eszközökhöz.

A rendszerbuszokat általában nem emulálják az emuláció egyszerűsítése és a teljesítmény növelése érdekében. Ehelyett a virtuális perifériák közvetlenül a processzorral vagy a memória alrendszerrel kommunikálnak.

Memória alrendszer

Emuláláskor a teljes memória-alrendszer leképezhető egyszerű tömbként, amelynek minden eleme egy emulált szó méretű. Ez a megközelítés azonban kudarcra van ítélve, mert ebben az esetben egyetlen logikai memóriacím sem fog megegyezni a fizikai memóriával. Ez akkor a legkifejezettebb, ha az eredeti hardver fejlett memóriakezeléssel rendelkezik (ebben az esetben az MMU logikát a memória alrendszer  moduljában kell megvalósítani, akár külön modulként, akár a virtuális CPU részeként).

Azonban még ha az emulált eszköz nem is tartalmaz MMU-t, vannak más tényezők, amelyek megbontják a logikai és fizikai memória egyenértékűségét: sok (ha nem mindegyik) architektúra rendelkezik RAM -mal leképezett I/O portokkal; még azok is rendelkeznek ROM -leképezett memóriablokkokkal , amelyek nem rendelkeznek velük . Ez azt jelenti, hogy a memória tömbábrázolását nem szabad használni, ha a ROM-ot emulálni kell. Az olyan funkciók, mint a bankváltás vagy a szegmenscímzés , szintén megnehezíthetik a memóriaemulációt.

Ennek eredményeként a legtöbb emulátornak legalább két rutinja van, egy a memóriából való olvasáshoz és egy a memóriába íráshoz, amelyek felelősek a megfelelő objektum megfelelő területéhez való hozzáférésért.

A korlátozott címzésű emulációs rendszerekre, ahol a 0 -tól (ROM-méret) - 1 -ig terjedő memóriacímek csak olvashatók, az összes többi pedig a RAM-hoz tartozik, az alábbiakhoz hasonló jellemző.