动态二进制翻译基础平台CrossBit的设计与实现

二进制翻译是指把一种机器平台上的二进制可执行程序经过转换后运行在另一个机器平台上的过程,它解决了二进制代码在异构机器平台上的迁移问题。该文介绍了二进制翻译的工作原理,阐述了CrossBit动态二进制翻译基础平台的设计思路与关键实现,包括其系统架构、工作流程和中间指令的设计。实验数据表明,二进制翻译技术的性能优于传统软件解释技术。     

面向瘦客户端的分布式动态二进制翻译系统

传统的动态二进制翻译系统不适合直接用于瘦客户端,因为瘦客户端（如手机等）大多存在资源受限的问题,而动态二进制翻译过程会消耗较多的计算和内存资源。针对上述问题,提出一个适用于瘦客户端的分布式动态二进制翻译系统,用远程服务器完成二进制翻译,客户端只要执行翻译好后的代码即可。CPUSPEC2000的实验结果表明,在瘦客户端上使用该系统相对于使用传统的动态二进制翻译器可以带来更高的性能和更小的开销。     

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。     

动态二进制翻译器QEMU中冗余指令消除技术研究

计算机体系结构的不断发展,使得代码迁移工作变得尤为重要,在这种背景下,二进制翻译技术应运而生。二进制翻译技术使得在已有的体系结构下生成的可执行文件自动迁移到新的体系结构中成为可能。以龙芯2F处理器为硬件平台,研究二进制翻译器QEMU中冗余指令的删除优化技术,使用代码活性分析方法来降低代码膨胀度,提高执行效率。该优化技术带来的优化效果超过其自身开销,具有实际优化价值。     

兼容ARM Thumb指令的多指令集处理器技术研究

随着处理器的快速发展,RISC-V的软件生态环境建设成为其在处理器市场中站稳脚跟的关键因素之一。二进制翻译是解决处理器二进制代码兼容性问题、为处理器生态环境建设获取时间成本的关键技术之一,但由于二进制翻译器难以以较低的功耗面积开销获得高效执行的二进制代码,使其无法广泛应用于嵌入式领域。针对二进制翻译器执行效率和功耗面积开销难以取得平衡的问题,采用硬件逻辑加速的方式处理ARMv7-M中条件执行指令、更新标志位指令以及桶形移位指令,并利用静态二进制翻译器对ARMv7-M程序进行IT Block分裂、地址重计算及指令映射后生成RISC-V二进制代码,以此支持ARMv7-M的各类指令。基于开源内核CV32E40P设计了一个支持ARMv7-M的处理器内核,结果表明,运行ARMv7-M程序的平均性能能够达到直接运行RISC-V程序性能的137%,与纯软件二进制翻译支持ARMv7-M相比,该处理器核运行ARMv7-M程序的性能提升了5.59倍。     

元数据展开的动态二进制翻译寄存器化优化

动态二进制翻译技术可以使编译好的二进制代码无缝运行于其他架构下,目前得到越来越广泛的应用.由于在动态翻译执行的过程中缺少程序的原始语义信息而只能采用保守的策略来保证程序的正确性,从而制约到动态二进制翻译的性能.为了解决这种不足,本文提出一种基于静态编译阶段产生的对性能有影响的元数据进行动态翻译中的寄存器化优化算法,进而来提高动态翻译器的整体性能.实验数据表明优化方法对于SPECfp2000和SPECint2000测试集分别获得了15.03%和1.21%的性能提升,其中的一些测试包的加速比甚至达到了37.09%.     

动态二进制翻译器qemu的Tcache管理策略

动态二进制翻译器qemu使用Tcache对翻译后的优化代码进行存储和管理,好的Tcache管理策略能使得程序的执行速度大大提高。介绍了动态二进制翻译过程中的Tcache的特点,以及二进制翻译系统中一些常用的Tcache替换方法,主要包括最近最少使用方法、全清空和先进先出,针对qemu设计结合先进先出和全清空算法的Tcache管理方法。最后在龙芯2F的实验平台上实现了全清空、先进先出和将前面两者结合的方法,发现最后一种效果最好,性能得到了提升。     

二进制翻译中的标志位优化技术

在二进制翻译技术中,如何有效降低对源指令集体系结构标志位的模拟开销是一个值得研究的课题．分别针对二进制翻译中的解释执行和动态翻译,提出了相应的标志位模拟优化算法,能够有效地减少翻译生成的目标代码数量,提高目标代码性能．经过大量测试验证,在应用该标志位模拟优化算法后,Digital Bridge系统翻译生成的目标代码量是源体系结构目标代码量的120％,而没有应用该优化算法时该比例是250％,作为对比系统UQDBT系统的比例是150％．     

基于热例程的动态二进制翻译优化

依据对系统级程序行为特性的观察,提出了一种基于热例程的动态二进制翻译优化方法。该方法以频繁执行的例程作为优化单位,通过块内和块间优化算法消除动态二进制翻译引入的冗余。相比基于踪迹的优化方法,该方法具有优化单位发现开销更小、代码区域更大、无重复翻译等优点,更适用于系统虚拟机中操作系统代码的优化。在跨平台系统虚拟机监控器ARCH-BRIDGE上的测试表明,通过对内核代码实施该优化方法,SPEC CPUINT 2006程序的效率提升了3.5%~14.4%,相比基于踪迹的优化,性能最大提升了5.1%。     

动态二进制翻译的库函数包装自动化

库函数包装是在动态二进制翻译过程中将源二进制程序的库函数调用直接转嫁到目标机上的库函数调用,以此提高动态二进制翻译系统的性能。针对目前动主流的库函数手动包装技术,提出一种基于GCC的动态二进制翻译中库函数的自动包装技术,无需对库函数分别进行人工包装,节省了大量的工作,同时也降低了包装过程中出错的可能性。实验结果表明,通过库函数自动包装技术,动态二进制翻译器qemu的性能有了3%~5%的提升。     

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.     

动态二进制翻译中的冗余LOAD删除优化技术

动态二进制翻译系统是根据程序的动态执行信息来将源机器上的可执行代码翻译成目标机器上的可执行代码.在翻译成中间表示的过程中会产生一些冗余的LOAD指令,为提高代码的执行效率,提出对这些LOAD指令进行冗余删除优化.该优化技术可以使优化效果超过其自身的开销,达到优化的目的.     

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.     

Background optimization in full system binary translation

Binary translation and dynamic optimization are widely used to provide compatibility between legacy and promising upcoming architectures on the level of executable binary codes. Dynamic optimization is one of the key contributors to dynamic binary translation system performance. At the same time it can be a major source of overhead, both in terms of CPU cycles and whole system latency, as long as optimization time is included in the execution time of the application under translation. One of the solutions that allow to eliminate dynamic optimization overhead is to perform optimization simultaneously with the execution, in a separate thread. In the paper we present implementation of this technique in full system dynamic binary translator. For this purpose, an infrastructure for multithreaded execution was implemented in binary translation system. This allowed running dynamic optimization in a separate thread independently of and concurrently with the main thread of execution of binary codes under translation. Depending on the computational resources available, this is achieved whether by interleaving the two threads on a single processor core or by moving optimization thread to an underutilized processor core. In the first case the latency introduced to the system by a computational intensive dynamic optimization is reduced. In the second case overlapping of execution and optimization threads also results in elimination of optimization time from the total execution time of original binary codes.     

基于动态二进制转换技术的DOS环境模拟器的实现

二进制翻译技术是从一种指令集到其他指令集的代码转换技术,可用以解决移植代码到新硬件平台时的重编译问题。旨在设计和实现一种DOS环境模拟器。该模拟器基于动态二进制指令转换技术,通过对X86指令的动态翻译,结合对外设模拟技术、系统中断模拟方案等一些关键技术的研究,最终使得原先在DOS系统中运行的应用程序无需重新编译,就能在多种异构体系平台上正确地运行。通过对翻译块进行有效的组织管理,使得该动态翻译得到很好的运行性能。     

基于动态二进制翻译技术的仿真器研究

以动态二进制仿真器QEMU为平台,分析动态二进制翻译技术在仿真器开发中的应用,研究QEMU的翻译机制、优化策略、关键技术,并对相关重要代码进行解析。对仿真CPU的性能进行测试,结合分阶段的测试结果,从中找出制约仿真CPU性能的关键阶段,为后续的优化工作提供参考依据。     

CoDBT: A multi-source dynamic binary translator using hardware–software collaborative techniques

For implementing a dynamic binary translation system, traditional software-based solutions suffer from significant runtime overhead and are not suitable for extra complex optimization. This paper proposes using hardware–software collaboration techniques to create an high efficient dynamic binary translation system, CoDBT, which emulates several heterogeneous ISAs (Instruction Set Architectures) on a host processor without changing to the existing processor. We analyze the major performance bottlenecks via evaluating overhead of a pure software-solution DBT. Guidelines are provided for applying a suitable hardware–software partition process to CoDBT, as are algorithms for designing hardware-based binary translator and code cache management. An intermediate instruction set is introduced to make multi-source translation more practicable and scalable. Meantime, a novel runtime profiling strategy is integrated into the infrastructure to collect program hot spots information to supporting potential future optimizations. The advantages of using co-design as an implementation approach for DBT system are assessed by several SPEC benchmarks. Our results demonstrate that significant performance improvements can be achieved with appropriate hardware support choices. CoDBT could be an efficient and cost-effective solution for situations where the usual methods of performance acceleration for dynamic binary translation are inappropriate.     

动态二进制翻译的优化

提出动态二进制翻译的两种优化方案:基本块和热路径;分析了从代码中抽取值得优化部分的详细过程;同时也给出针对这两种方案的一些优化方法.最后简单介绍了当前一些动态二进制翻译系统所采用的优化技术.