可信编译器关键技术研究

软件的可信性很大程度上依赖于程序代码的可信性。影响软件可信性的主要因素包括来自软件内部的代码缺陷、代码错误、程序故障以及来自软件外部的病毒、恶意代码等,因此从代码角度来保证软件的可信性是实现可信软件的重要途径之一。编译器作为重要的系统软件之一,其可信性对整个计算机系统而言具有非常重要的意义。软件程序一般都需要经过编译器编译后方能执行,如果编译器不可信,则无法保证其所生成代码的可信性。本文主要讨论设计和实现可信编译器的主要思路和关键技术。     

可信编译理论及其核心实现技术:研究综述

编译器是重要的系统软件之一,高级语言编写的软件都必须经过编译器的编译才能成为可执行程序。编译器的可信性对于整个计算机系统而言具有非常关键的意义,如果编译器不可信,则很难保证系统所运行软件的可信性。可信编译是指编译器在保证编译正确的同时提供相应的机制保证编译对象的可信性,对可信编译理论和技术的研究具有重要理论意义和实用前景。阐述了可信编译器的概念,介绍了编译过程正确性的形式化定义,对可信编译的主要研究进行了概括。在全面分析可信编译研究现状的基础上,从编译器自身可信性和确保编译对象可信性两个方面,对可信编译器设计和实现的相关理论和方法进行了分类和总结。最后,讨论了可信编译有待解决的问题和未来的研究方向。     

同步数据流语言输入结构体的可信翻译

为最大程度地减少同步数据流语言编译过程中由编译器引入的错误,需要利用形式化方法自动生成代码,保证编译器产生的代码能够应用于核能仪控系统.本研究使用定理证明工具Coq,对同步数据流语言Lustre到Clight的主节点输入结构翻译阶段涉及的语法、语义及翻译算法进行了形式化定义,并完成翻译算法的形式化证明.研究表明这种经过形式化的编译器能够生成与源代码行为一致的可信目标代码,同时生成的目标代码能够很好满足核能仪控系统的执行规范.     

基于编译支持错误跟踪的测试用例自动化生成方法

测试用例的自动生成是实现测试自动化的重要保障,是验证可信软件的基本方法.在分析现有测试用例自动生成方法的基础上,提出了一种基于编译的错误可跟踪的测试用例自动生成方法.该方法以编译器为依托,通过对其语法和语义进行扩展,将测试需求很好地融入到源程序中参与分析,并利用代码生成器在生成目标代码的同时根据相应的分析结果直接生成对应的测试用例.该方法将测试用例和目标代码生成统一到编译器中,避免了独立的测试用例自动生成工具在获得编译器相关分析结果时而导致的接口开销.同时,通过对源程序行号信息的跟踪,使得测试用例在无法通过测试时能够很快定位出错位置,以方便程序开发者修改.最后,通过一个示例程序说明了该方法的具体实现过程,证明了该方法的有效性.     

一种包解析器硬件配置描述语言及其编译结构

本文设计一种用于实现可重构网络数据包解析器的专用硬件配置描述语言P3.由于要有利于高安全等级网络的实现,我们侧重于从高可信性角度进行语言设计,包括形式化定义该语言的类型系统和操作语义,以及设计其可信编译结构.基于对可重构硬件基本需求的充分理解,本文从软硬件协同角度出发,最终明确了P3语言的核心特性及其编译器P3C的可信编译结构.由于可重构数据包解析器是软件定义网络（SDN）、可编程数据平面的重要一环,因此实现P3C的可信编译结构将对SDN的安全性有着重大意义.期待P3C项目的开展,能促进网络与形式化领域相关工作的进一步研究.     

一个C语言安全子集的可信编译器

以安全关键领域的安全标准为依托、安全相关软件的语言编码和编译要求为指导,进行了以下几方面的研究和探索:首先对形式化验证可信编译技术进行分析研究,特别着重当前广受关注的经过验证的CompCert编译器.然后以我国安全领域C语言安全子集标准《航天型号软件C语言安全子集》为依据构造测试用例、创新测试方法,并以此对CompCert编译器进行测试评估.之后依据测试结果,为CompCert编译器增加未支持的C语言标准特性,裁剪不符合C语言安全子集要求的特性,构建符合C语言安全子集标准的可信编译器.最后的实测结果表明,所实现的编译器符合C语言安全子集标准的要求,且没有降低C代码的执行效率.     

SIMD计算机的优化编译器设计

利用处理器的相关资源,提高编译器优化性能和增强代码可适应性是SIMD处理器优化编译的关键。该文基于M语言和LSSIMD体系结构,结合现代编译器的编译技术,提出针对SIMD协处理器编译器的优化和实现方法,包括寄存器分配、单值合并、代码压缩等。实验结果表明,编译生成的目标代码准确、高效。     

一种IA-64下的反软件流水算法

软件流水是一种循环程序的优化技术,它可以有效地提高指令级并行性。由于处理机的实现方法各不相同,在一种处理机上经过软件流水优化后的循环代码很难在其它处理机中移植和使用。反软件流水是软件流水的逆向操作,它可以消除循环代码中的软件流水特性,以便于代码在不同平台上的移植。基于IA-64体系结构,分析了软件流水的代码特点,提出了反流水算法,用于将ICC编译器编译后的可执行二进制代码消除软件流水特性,转换成语义等价的C代码。     

一个面向方面的可信软件开发平台TSCE*

随着软件规模和复杂度的增加,软件失效和故障问题日益加剧。如何在开发阶段利用开发环境为实现软件可信性提供有效支撑,从而确保软件运行行为与预期保持一致,具有重要的研究价值。借助面向方面的设计思想,把可信性作为一种方面融入软件的开发环境,研究实现了可信软件开发平台TSCE。该平台能够在软件研制过程中,一体化地提供可信性需求定制、可信代码自动生成、可信代码自动织入等辅助开发手段。利用该平台,开发人员不用额外编写可信性实现的相关代码,便可在部署运行阶段使软件具有一定的可信性判断能力和故障预警与修复能力。     

反编译研究现状及其进展

一、反编译的定义、作用及其结构编译器的概念众所周知,但逆编译器的概念却还是很新奇,它允许将所定义的目标代码映射到高级表示。计算字典为编译和逆编译给出了下面的定义: 编译:转换高级语言成目标代码的程序……逆编译:一种试图…从机器代码转换回到与原程序相似的某种程序的程序。     

面向RISC-V处理器的GCC移植与优化

嵌入式RISC-V处理器交叉开发生成高质量目标代码的关键是GCC的移植与优化.分析GCC的基本结构和RISC-V体系结构的数据与指令特点,建立GCC后端移植机制,采用机器描述方法,生成32位riscv-none-embed-gcc编译器,实现RISC-V处理器的GCC移植,设计强度削弱的窥孔优化方法解决中间代码生成过程中CPU计算代价高的问题.验证与测试结果表明编译器编译正确并具有通用功能,优化后编译生成的目标代码体积减少约11％,提高了目标代码质量,节省了嵌入式处微理器的存储空间.     

基于形式化监控的可信软件构造模型

传统的形式化方法和软件运行时监控都是提高软件可信性的有效途径,但存在监控需求表达能力不强及代码分散等问题。针对该问题,提出基于形式化监控的可信软件构造技术FM-TSPM,将形式化方法和运行时监控相结合,实现跨领域的方法融合。用形式化方法描述监控约束,根据监控约束生成方面监控代码,解决代码分散问题。采用AOP编织器将方面代码编织到目标系统中,构造出带监控能力的可信软件。     

可信编译器构造的翻译确认方法简述

编译器的安全可信问题日益引起重视,特别是在安全关键系统中,编译器的误编译将会造成重大的损失。消除误编译的传统方法是大量的测试,但是测试难以达到完全覆盖,并不能充分地保证编译器的安全可信。近年来,形式化验证方法被成功用于可信编译器的构造中。一种方法是对编译器本身进行形式化验证,经过严密的证明,可杜绝误编译的发生。然而,这种方法可能"冻结"编译器的设计,阻碍编译器未来可能的优化和完善。翻译确认是另外一种用于可信编译器构造的形式化方法,它避免了对编译器自身的验证,有很好的可重用性,近年来在编译器验证领域得到了广泛研究,已取得令人瞩目的成果。介绍了翻译确认方法的概念及研究进展。     

改进的指令总线功耗优化策略

针对编译器系统设计和编译中的低功耗优化,基于可重定向编译器,实现在编译器后端对VLIW指令总线进行功耗优化的策略.通过对编译生成的二进制目标码进行横向再调度来减少指令总线上的高低电位切换次数,达到降低系统功耗的目的.对编译后端的软件流水和超块调度两种性能优化策略进行对比实验,表明其优化效果在30%以上,并且代码的指令级并行性(Instruction Level Parallelism,ILP)与优化效果存在明显的相关性.最后,通过ILP对该策略提出改进,以指令级并行信息指导功耗优化,在功耗优化效果损失不大的前提下,可节省多达20%的算法开销.     

重定向编译器的研究进展和趋势

在软硬件协同设计中，常常需要改变嵌入式处理器的体系结构，并评价其对系统各种优化目标的影响，以便产生高效的目标代码。可重定向编译技术正好能满足这一需求。可重定向编译器和传统编译嚣之间的本质区别在于前者要求编译器代码尽可能重用，以便辅助体系结构设计者探索设计空间。本文综述了已有的主要可重定向编译技术，并指出了所遇到的问题和困难。     

出具证明编译器中代码优化与程序规范转换

出具证明编译器在软件安全研究得到越来越多的关注,是程序验证研究的一个重要方向.但目前关于出具证明编译器的研究主要是在程序逻辑设计和定理自动化证明方面,很少关注编译优化对规范的影响.而编译优化是决定出具证明编译器是否能走向应用的关键因素之一.通过研究数据流优化的基本行为,提出利用数据流分析结果来变换规范的方法,以使原规范的约束准确而充分地施加于优化后的代码,并实现了一个包含多种优化和相应规范转换的编译器原型系统,展示了方法的可行性.     

嵌入式Java编译器的研究与设计

提出用编译的方法设计一款能直接生成 MCS-51系列单片机的目标代码,不依赖操作系统和JVM的嵌入式Ja-va编译器,使得Java语言在低档嵌入式系统中应用更加广泛,实现成本低廉的工业环境及家庭电器与 Internet 相结合实现远程监测和控制.详细分析了Java语言与嵌入式系统的特点,以实时版jRate及 sun公司的GJC编译系统为参考,采用单遍扫描语法制导翻译模式,以语法分析程序单元为核心,构建嵌入式Java 编译器的词法分析器、语法/语义分析器和代码生成器,并对测试方法进行了探讨.     

基于VLIW的机器相关优化编译技术研究

VLIW体系结构性能的发挥在很大程度上依赖于其相应的编译器。编译优化主要包括两个方面:一方面是传统的编译器优化技术;另一方面是针对具体机器平台特定的优化技术。VLIW机器相关的编译优化技术应该针对具体的机器平台,基于超长指令字体系结构的特点,考虑如何充分利用机器提供的硬件资源,以达到软件(编译器)和硬件(CPU)的最大匹配,从而生成高效率高并行度的目标代码。论文从超长指令字的特点出发,探讨了在VLIW体系结构下与机器相关的编译优化的实现方案,同时提出了几点在具体进行与机器相关的优化编译时的关键技术。     

编译原理——C教学编译器设计

该文根据目前编译原理的教学现状,设计了一个C教学编译器。它是一个基于Windows平台的编译器,不但能全面体现编译器的设计和实现过程而且还采用了教学上新的算法和结构设计思想。如基于需要给标识符分配空间、半缓冲区的应用,分离哈希链表的设计。同时,编译器在生成目标代码时,先生成虚拟机代码,再对虚拟机代码进行解释执行得出最终运行结果。这样就便于在不同目标机器上移植了。此技术在Java上已经广泛应用,但在C语言上还是尝试。     

如何编写有利于编译器优化的代码?

引言 对于嵌入式系统,最终代码的体积和效率取决于由编译器生成的可执行代码,而非开发人员编写的源代码;但是,源代码的优化可以帮助编译器生成更加优质的可执行代码.因此,开发人员不仅要从整体效率等因素上去构思源代码体系,也要高度关注编译器的性能和编译优化的便捷性.