二进制翻译技术研究综述

随着信息技术的快速发展,涌现出各种新型处理器体系结构.新的体系结构出现为处理器多样化发展带来机遇的同时也提出了巨大挑战,需要兼容运行已有软件,确保较为丰富的软件生态群.但要在短期内从源码编译构建大量生态软件并非易事,二进制翻译作为一种直接从二进制层面迁移可执行代码技术,支持跨平台软件兼容运行,既扩大了软件生态群,又有效降低了应用程序与硬件之间的耦合度.近年来,二进制翻译技术研究取得了较大进展.为总结现有成果并分析存在的不足,本文首先介绍了二进制翻译技术的分类以及典型的二进制翻译系统,之后从指令翻译方法、关键问题研究、优化技术等方面分别进行分析总结,接着阐述了二进制翻译技术的核心应用领域,最后对二进制翻译技术的潜在研究方向进行展望.     

二进制翻译中的库函数识别技术研究

体系结构的不断发展给软件开发者带来了巨大的风险,造成了新体系结构推广的困难,而二进制翻译技术使得可执行代码可自动迁移到新的体系结构。介绍了在开发一个静态二进制翻译系统（I2A翻译系统）中的库函数识别技术,并提出了解决库函数识别问题的新的方法。基于IA-64体系结构的调用约定及实例分析证明,该方法是一种简单实用的库函数识别方法,经I2A系统验证是有效的。     

动态二进制翻译与优化技术研究

动态二进制翻译技术是一种即时编译技术,它将针对源体系结构编译生成的二进制代码(源机器码)动态翻译为可以在目的体系结构上运行的代码(翻译码).动态优化技术是指在运行时获取动态信息并进行代码优化的技术.动态二进制翻译及优化系统使得源软件无需重编译就可以直接在目标体系结构上高效地运行.目前几种比较有影响的动态二进制翻译及优化系统有Intel公司的IA-32 Execution Layer,IBM公司的DAISY,Transmeta的CMS及HP的Dynamo等.这些系统对动态二进制翻译系统关键技术有不同的实现.对动态二进制翻译和优化技术的研究是计算机领域的研究热点,具有深远的现实意义和应用前景.     

二进制翻译中的X86浮点栈处理

二进制翻译系统是一种基于软件的跨平台代码迁移系统,它将一种体系结构的二进制代码翻译成另一种体系结构的二进制代码.二进制翻译可以用于解决遗产代码的迁移问题,也可以实现不同硬件平台之间软件的通用.浮点栈的处理已成为以X86为源的二进制翻译的研究中的关键性问题之一,如何处理X86浮点栈问题直接关系到以X86为源的二进制翻译系统的性能.针对X86浮点寄存器栈的特征,提出了一种扩展虚拟栈(extending virtual stack)处理方案.它采用归一的方法,保证了每个基本块中的运算所涉及到的浮点寄存器可以直接映射到目标机器中的浮点寄存器,确保了翻译的效率,并利用翻译时的分析避免了在入口处不必要的判断;同时还给出了在基本块入口处判别一个基本块是否会出现浮点栈上溢和下溢的充分必要条件,为生成更加高效的代码提供了条件.实验表明,它能够在保证正确实现其功能的前提下,获得更好的执行效率.     

注解信息制导的动态二进制翻译及优化

动态二进制翻译器在运行时将源体系结构机器码翻译为目标体系结构机器码.这种即时编译技术使得源机器上的软件无需重编译就可以直接在目标机上较高效地运行.然而,利用动态二进制翻译器运行源软件的效率大大低于针对目标机器重新编译运行源软件的效率.本文在比较分析动态翻译生成的目的机器码的性能偏低的原因的基础上,提出了注解信息制导的动态二进制翻译及优化的方法.本文选取了三种注解信息,在英特尔的商用动态二进制翻译器"IA-32Execution Layer"和静态编译器"Intel(r)Compiler"上实现了注解信息制导的动态二进制编译及优化技术.实验结果表明该三种注解信息较大程度地提高了动态翻译码的执行效率.     

VISA：基于动态二进制翻译优化技术的可扩展体系结构

体系结构设计经常要在代码兼容和结构创新之间进行折衷。保证代码兼容的体系结构难以引入创新性的体系结构技术，或者导致最终结构变得相当复杂。本文提出一种基于动态二进制翻译优化的可扩展处理器结构VISA。VISA在实现兼容的前提下拓展了体系结构设计的空间。模拟结果显示，VISA性能优于现有的动态二进制翻译优化框架，并有更高
高的性能潜力和扩展空间。     

一个高可移植性的轻量级x86模拟器

介绍一个可以在多种处理器体系结构上运行的轻量级x86模拟器PIT(Portable x86 Instruction Translator)."动态二进制指令翻译"足一个可以让一种机器的指令运行在另一种机器上的技术.PIT采用了可移植的动态二进制指令翻译技术,可以在多种体系结构(包括x86,PowerPC,ARM,Spa...     

动态二进制翻译中全寄存器直接映射方法

二进制翻译是不同体系结构之间软件移植的重要手段。体系结构和硬件环境上的差别,可以通过二进制翻译系统来弥补,在翻译过程中往往使用多条本地指令模拟一条目标指令,翻译代码规模随之显著增加,从而导致被翻译程序的执行效率下降。寄存器作为处理器和内存交换信息的重要存储部件,寄存器的模拟器方式对于程序的性能有着至关重要的影响。为了提高特定平台翻译后代码的执行效率,提出了在动态二进制翻译机制中使用全部寄存器直接映射方法,详细分析了二进制翻译中的上下文切换原理和寄存器访问范围,为异构平台之间寄存器直接映射提供方法指导。利用QEMU模拟器,把x86架构的8个通用寄存器全部的直接映射到MIPS架构的对应寄存器,在此基础上,进行大量的指令翻译规则的简化。实验数据表明,该方法可以有效简化指令翻译,降低代码膨胀率,使得SPEC CINT 2000测试程序在龙芯CPU上翻译后代码运行时间下降了30%-40%。     

基于龙芯3A处理器的跨平台二进制翻译器QEMU的优化研究

动态二进制翻译与优化技术推动了计算机体系结构的发展。以龙芯3A处理器为实现平台,在系统级模拟模式下,针对原二进制翻译器QEMU寄存器分配方案提出跨平台优化方法,同时引入热路径对动态二进制翻译过程中冗余代码进行优化。实验结果表明,经过优化后,在龙芯3A平台上通过QEMU翻译器运行Windows XP操作系统,其常用X86应用程序的运行速度得到可观提升。以上研究对基于龙芯平台的系统级跨平台应用程序的实用化具有深远的现实意义。     

动态二进制翻译中不对界问题的处理

复杂指令集计算机体系结构向精简指令集计算机体系结构的动态二进制翻译过程中经常出现地址不对界的问题。本文以I386到Alpha平台的动态二进制翻译为例,研究了内存映射时的不对界和数据存取时的不对界问题,提出了一种改进的内存映射方法以及在中间表示层处理不对界地址访存问题的方案,有效地解决了此类问题。经实验验证,该方法正确并有较高效率。     

二进制翻译中的过程恢复技术

目前对处理器速度的追求促使体系结构不断发展,但是软件的支持却不能与其匹配,造成新体系结构推广的困难,研究、解决代码迁移问题的二进制翻译方法应运而生。文中介绍了在开发一个静态二进制翻译系统(XM翻译器)中的过程恢复技术,包括参数恢复和返回值恢复,并提出了解决返回值恢复问题的一个新的实现方法。它回避了一般方法中必须要进行数据流、控制流分析的复杂性,基于x86机器本身的调用特点以及实例的分析,是一种简单实用的实现返回值恢复的方法,经XM系统验证是行之有效的。     

IA-64二进制翻译中指令束特性的消除技术

目前对处理器速度的追求促使指令集体系结构不断发展,但是软件的支持却不能与其匹配,造成新体系结构推广的困难,研究、解决代码迁移问题的二进制翻译方法应运而生。文中介绍了二进制翻译中解码器的功能,并结合IA-64的指令特点,设计出基于指令束的解码算法。根据测试中发现该算法存在的问题,提出了改进方案,消除束的特性,给每条指令赋予唯一地址并按此地址进行解码。在IA-64至Alpha的二进制翻译课题中,对该算法进行了工程实现。     

Towards a multiple-ISA embedded system

In these days, every new added hardware feature must not change the underlying Instruction Set Architecture (ISA), in order to avoid adaptation or recompilation of existing code. Binary translation (BT) allows the execution of already compiled applications on different architectures. Therefore, it opens new possibilities for designers, previously tied to a specific ISA and all its legacy hardware issues. To overcome the BT inherent performance penalty, we propose a new mechanism based on a dynamic two-level binary translation system. While the first level is responsible for the BT de facto to an intermediate machine language, the second level optimizes the already translated instructions to be executed on the target architecture. The system is totally flexible: it supports the porting of radically different ISAs and the employment of different target architectures. This paper presents the first effort towards this direction: it translates code implemented in the x86 ISA to MIPS assembly (the intermediate language), which will be optimized by the target architecture: a dynamically reconfigurable array. We show that it is possible to maintain binary compatibility, with performance improvements and no energy losses, when compared to native execution.     

二进制翻译中的寄存器映射与剪裁的实现

如何进行异构机之间可执行程序的高效移植是二进制翻译面对的难点问题.从寄存器映射的角度分析了这一问题,提出了分段映射和特殊寄存器功能剪裁相结合的方法,以trend系统为平台进行了实验和测试.NPB-serail测试包和SPEC2000测试包的测试结果显示:使用该方法,可以简化指令翻译,减少代码膨胀,有效提高翻译后代码的执行效率.     

降低协同设计虚拟机启动开销的译码后指令缓存技术

协同设计虚拟机采用动态二进制翻译实现不同体系结构间的二进制兼容,对源指令的翻译和处理影响了协同设计虚拟机的启动性能.研究发现,在一个采用解释执行和翻译相结合的协同设计虚拟机中,处理非热点代码的解释执行是虚拟机启动开销的主要来源.发现了协同设计虚拟机中的解释例程局部性,并提出了一种硬件译码后指令缓存结构DICache(d...     

基于ISA100.11a标准的工业物联网开发平台的设计与实现

工业物联网技术是未来几年工业自动化产品新的增长点。作者所在实验室作为Voting Member和ISA WCI工作组成员参加ISA100.11a标准的制定,研发了基于ISA100.11a的工业物联网通信协议栈软件、网络设备及终端设备,研制的ISA100.11a工业物联网开发平台具有完善的硬件、软件产品及技术支持,核心技术已经形成专利池,可广泛应用于智能工业、环境监测、智能电网等应用系统的开发,并已经在中国四联集团、韩国汉阳大学等单位得到应用。     

Light-weight kernel instrumentation framework using dynamic binary translation

Mobile platforms such as Android and iOS, which are based on typical operating systems, have been widely adopted in various computing devices from smart phones even to smart TVs. Along with this, the necessity of kernel instrumentation framework has also grown up for efficient development and debugging of a kernel itself and its components. Although the existing approaches are providing some information about the kernel state including physical register value and primitive memory map, it is hard for the developers to understand and exploit the information. Moreover, the excessive analysis overhead in the existing approach makes them impractical to be used in real systems. Meanwhile, there have been a few studies on analyzing the user-level applications using dynamic binary translation and they are now widely used. In this paper, by extending this idea of dynamic binary translation for user-level applications to the kernel, we propose a new dynamic kernel instrumentation framework. Our framework focuses on the modules such as device drivers, rather than the kernel itself, since the modules comprise a large portion of OS development. Because of the frequent execution of kernel modules, the dynamic kernel instrumentation framework should guarantee the quality of the translated target code. However, costly optimizations to achieve high execution performance are rather harmful to the overall performance. Therefore, in order to improve performance of both translations, we suggest light-weight translator based on pseudo-machine instruction representation and tabular-base translation instead of typical intermediate representation. We implement our framework on Linux system, and our experimental evaluations show that it could quite effectively instrument the target with nominal overhead.     

Extending CAN bus with ISA100.11a wireless network

In this paper, we present a framework for building a hybrid network composed of Controller Area Network (CAN) bus and ISA100.11a industrial wireless network. The end-to-end delay of CAN-ISA100.11a hybrid network is evaluated. One scheme is proposed based on time slot configuration in ISA100.11a to ensure the prioritization hierarchy which is suitable for large packet size, namely priority assurance (PA). Moreover, a comparison between shared time slot and short time slot is evaluated to give insight on which one gives the best performance in CAN-ISA100.11a hybrid network. The delay of the proposed framework is further simulated under interference environment.     

Meaning preservation in Example-based Machine Translation with structural semantics

The main tasks in Example-based Machine Translation (EBMT) comprise of source text decomposition, following with translation examples matching and selection, and finally adaptation and recombination of the target translation. As the natural language is ambiguous in nature, the preservation of source text’s meaning throughout these processes is complex and challenging. A structural semantics is introduced, as an attempt towards meaning-based approach to improve the EBMT system. The structural semantics is used to support deeper semantic similarity measurement and impose structural constraints in translation examples selection. A semantic compositional structure is derived from the structural semantics of the selected translation examples. This semantic compositional structure serves as a representation structure to preserve the consistency and integrity of the input sentence’s meaning structure throughout the recombination process. In this paper, an English to Malay EBMT system is presented to demonstrate the practical application of this structural semantics. Evaluation of the translation test results shows that the new translation framework based on the structural semantics has outperformed the previous EBMT framework.     

RISC-V指令集架构研究综述

指令集作为软硬件之间的接口规范,是信息技术生态的起始原点.RISC-V是计算机体系结构走向开放的必然产物,其出现为系统研究领域带来了新的思路,即系统软件问题的研究深度可以进一步向下延伸至指令集架构,从而拓展甚至颠覆软件领域的“全栈”概念.对近年来RISC-V指令集架构相关的研究成果进行了综述.首先介绍了RISC-V指令集的发展现状,指出开展RISC-V研究应重点关注的指令集范围.然后分析了RISC-V处理器设计要点和适用范围.同时,围绕RISC-V系统设计问题,从指令集、功能实现、性能提升、安全策略这4个方面,论述了RISC-V处理器基本的研究思路,并分析了近年来的研究成果.最后借助具体的研究案例,阐述了RISC-V在领域应用的价值,并展望了RISC-V架构后续研究的可能切入点和未来发展方向.