В современном процессе разработки процессоров и микроконтроллеров критически важным этапом является точное и формальное описание семантики набора команд архитектуры (ISA). Язык Sail (Semantics of Architectures Intermediate Language) предназначен для решения этой задачи, предоставляя средства для удобного, точного и проверяемого описания поведения инструкций на различных уровнях абстракции. Sail стремится заменить традиционные неполные и неоднозначные псевдокоды, встречающиеся в документации производителей архитектур, такими формальными спецификациями, которые могут быть легко проверены типовой системой, исполнены в симуляторе, трансформированы в код для различных языков программирования и доказательств, а также использованы в системах автоматического верифицирования. Разработанный ведущими специалистами в области формальных методов, Sail уже зарекомендовал себя как мощный инструмент для описания архитектур таких, как Arm, RISC-V, MIPS и CHERI. В данной публикации мы рассмотрим фундаментальные возможности Sail, принципы его работы, особенности языка, а также детально разберём, почему он становится всё более популярным среди инженеров и исследователей.
Sail предназначен для создания точных и доступных спецификаций архитектуры, которые можно использовать как для документирования, так и для создания инструментов автоматизации. Один из важных аспектов языка — его сходство с привычными инженерными псевдокодами, что облегчает адаптацию и применение. При этом Sail берёт на себя обязательство обеспечить выразительную типовую систему, которая позволяет выявлять ошибки в описаниях на этапе компиляции, включая проверку длины битовых векторов и корректности индексов. Все эти типы проверок обеспечивают статическую гарантированную корректность спецификаций. Одной из сильных сторон Sail является его способность объединять последовательные модели ISA с моделями параллелизма с расслабленной памятью.
Это открывает возможности для анализа многопоточных и многопроцессорных систем, что крайне важно в современном аппаратном обеспечении. Сам язык основан на функциональном подходе с возможностями императивной семантики и богатой поддержкой сопоставления с образцом. В типичной спецификации на Sail определяются типы абстрактного синтаксиса команд, функция декодирования бинарных данных в эти типы и функция исполнения инструкций. Спецификация проходит проверку типовой системой Sail, после чего может быть автоматически скомпилирована в различные форматы: внутреннее представление, пригодное к исполнению в интерпретаторе Sail; код для теоремных доказателей, таких как Isabelle/HOL или HOL4, а также в перспективе Coq; а также компиляция в высокопроизводительный код на C, OCaml или даже экспериментальный вывод в SystemVerilog для аппаратного моделирования. Одним из ярких примеров использования Sail являются модели Arm архитектур версии v8 и v9, генерируемые на основе официальных ASL-спецификаций, а также модели RISC-V и CHERI-MIPS, которые написаны вручную, используя возможности языка.
В архитектуре Arm Sail используется для полной автоматизации перевода, что повышает точность и согласованность описаний с официальными спецификациями. Разработчиков особенно привлекает удобный механизм scattered definitions (рассеянные определения), позволяющий собирать в одном месте все связанные элементы описания инструкции или группы инструкций. Это приближает спецификацию к форме, в которой они представлены в официальных документах, облегчая поддержку и расширение. Sail характеризуется компактностью и ясностью синтаксиса. Он предоставляет мощные типы данных, включая битовые векторы переменной длины с возможностью задания целочисленных параметров, сложные пользовательские типы — структуры, объединения, перечисления, типы синонимов и др.
Система поддерживает как неизменяемые, так и изменяемые переменные, позволяет работать с лямбда-функциями, блоками кода и конструкциями управления. Важной составляющей является богатый синтаксис сопоставления с образцом (pattern matching), который обеспечивает элегантное и безопасное разбиение данных на составные части и управление потоком исполнения в зависимости от формы и значений данных структур. Это особенно полезно при работе с декодированием и исполнением инструкций. Одна из уникальных возможностей Sail — использование типовых переменных для выражения параметров типов и размеров данных, типовых ограничений и условий. Это позволяет описывать размеры регистров, длины битовых полей и другие параметры максимально гибко, а типовая система гарантирует корректное исполнение определений и предотвращает типичные ошибки с переполнением или неправильным обращением с данными.
Sail обладает функциями расширяемости и параметризации. Для управления большими проектами язык поддерживает модульную структуру, с механизмами зависимостей и уровней доступа. Такие возможности упрощают поддержку сложных архитектур с множеством расширений и версий. Sail предоставляет пользователю инструменты командной строки для компиляции, форматирования и интерактивной отладки спецификаций. Форматирование кода Sail интегрировано в язык и обеспечивает единообразный стиль, близкий к профессиональному стандарту.
Поддержка выполнения в интерактивном режиме позволяет экспериментировать с определениями и отлаживать спецификации в реальном времени. Современные требования безопасности и формальной верификации диктуют необходимость создания точных моделей поведения аппаратных средств. Язык Sail отвечает этим требованиям, являясь универсальным решением для описания как последовательного, так и параллельного исполнения инструкций, с возможностью интеграции в pipeline верификационных и симуляционных инструментов. Более того, Sail поддерживает компиляцию в C с высокой степенью оптимизации, что позволяет использовать спецификации и для создания эффективных аппаратных эмуляторов. Это выгодно отличается от традиционных текстов спецификаций, которые зачастую остаются лишь документацией.
Применение Sail в крупных академических и индустриальных проектах подтверждает его устойчивость, эффективность и пользуется ростом сообщества профессионалов. Обладая удобным, выразительным и строгим языком, Sail помогает избежать амбиций и неточностей, характерных для привычных текстовых описаний инструкций. Кроме того, поддержка bidirectional mappings (двунаправленных отображений) позволяет легко и безопасно определять взаимосвязь между различными представлениями данных, например, между числовыми кодами и перечислениями. Такая функциональность значительно упрощает задачи кодирования и декодирования инструкций. Особое внимание в Sail уделено разработке вспомогательных функций и операторов, которые имеют понятный и однозначный семантический смысл, а также гибкой системе перегрузок.
Это обеспечивает возможность формулировать элегантные и компактные определения, адаптированные под специфику архитектуры, без потери общей читаемости. Sail также предоставляет средства для работы с исключениями и обработкой ошибок — что немаловажно для описания исключительных ситуаций в процессоре, например, прерываний и исключений. Дополнительно в языке реализованы продвинутые типы, в том числе bitfields, позволяющие удобно работать с битовыми полями регистров и контролировать корректные операции с ними. Благодаря таким мощностям Sail становится настоящим фундаментом для формального описания, проверки и реализации ISA. Мир аппаратного и программного обеспечения постоянно меняется, появляются новые архитектуры и расширения, и язык Sail позволяет быстро и качественно разрабатывать точные спецификации, обеспечивая долгосрочную поддерживаемость и передаваемость знаний между командами и проектами.
Подводя итог, можно отметить, что язык Sail — это высокоуровневый и формально точный язык, предназначенный для создания исчерпывающих и проверяемых моделей семантики наборов команд процессоров. Его мощный типовой аппарат, гибкость и интеграция с современными backend-инструментами делают его незаменимым инструментом для разработчиков, исследователей и верификаторов в сфере архитектур процессоров.С активным ростом экосистемы и продолжающейся поддержкой ведущих исследовательских лабораторий, Sail открывает путь к более надёжному, автоматизированному и производительному подходу к описанию и верификации архитектурных спецификаций, что повышает качество и безопасность аппаратных решений во всём мире.
