二进制翻译中解析多目标分支语句的图匹配方法

二进制翻译技术现已成为实现软件移植的重要手段.在二进制翻译系统中,如何有效地挖掘程序的代码并对其进行高效翻译是影响系统性能的关键,而二进制代码中间接跳转语句的存在,使得静态时难以得到它的跳转目标,影响了代码的发掘率和最终的翻译效果.在通常的应用程序中,间接跳转指令经常用来实现多目标分支语义,分支目标存放在跳转表中.提出了一种解析多目标分支语句及其跳转表的方法,能够挖掘出间接跳转的目标,进而对其进行有效翻译并提高二进制翻译系统的性能.该方法提出使用语义图来对预期语义进行刻画和表达.语义图能够对考察的指令序列进行语义提取,识别出与预期语义相匹配的指令流,还可以应对编译器在不同优化选项下生成的指令,并能有效滤除不相关指令带来的干扰.实验结果表明,对于SPEC CINT2000中的部分测试用例,代码翻译的覆盖率可以提高9.85%～22.13%,相应带来的性能提升可达到8.30%～17.71%,而使用的算法时间复杂度仅为O(1).     

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%。     

二进制翻译中标志位的模式化翻译方法

二进制翻译是在不同硬件平台之间实现软件迁移的重要手段.在二进制翻译系统中,如何在没有标志位寄存器的目标平台上模拟实现源平台上标志位寄存器的功能,是影响系统性能的关键.现有的标志位分析技术通过对标志位的定值引用进行数据流分析,尽可能多地消除冗余的标志位定值.但是,对于那些会被引用的标志位定值,现有的技术仍然需要进行翻译.这不仅会导致翻译生成代码的膨胀,还会影响二进制翻译系统的性能.提出了一种二进制翻译中基于模式化的标志位翻译方法.该方法在标志位分析技术基础上,通过将源平台上标志位定值指令和引用指令组合成固定的标志位模式,然后根据模式的具体语义选择目标平台上具有相同语义功能的指令组合进行翻译.这种模式化的翻译方法,不仅可以降低因翻译标志位而引入的代码膨胀,还可以提升二进制翻译系统的性能.实验结果表明,对于SPEC CINT2006中的程序,该方法不仅可以使翻译生成的代码量平均减少7.5%,还可以将程序的性能平均提升10%.     

动态二进制翻译中的中间表示

在二进制翻译中采用中间表示,可以适当隔离不同机器平台的特点,便于二进制翻译系统的移植。提出一种VINST中间表示方法,介绍其指令集与特点,运用SSA形式化和冗余指令删除等方法对VINST进行初步优化。优化前后的性能比较结果表明,相对简单高效的方法可以弥补优化的开销,提高系统性能。     

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.     

二进制翻译后端指令分级索引策略

随着硬件平台的多元化,软件兼容性问题日益突出,二进制翻译技术是解决软件兼容性问题的重要手段.鉴于二进制翻译系统大部分执行时间消耗在后端指令的查找和执行过程中,高效的指令索引策略可以减少系统的指令查找开销,提高系统的整体效率.在对二进制翻译系统后端指令局部性特征进行统计分析的基础上,设计了一种能充分挖掘现代计算机系统硬件性能的二进制翻译指令分级索引策略.该策略结合二进制翻译系统后端指令特殊的局部性特征,使用针对性的替换算法对后端指令进行缓存,降低了系统的指令查找开销.在引入了LIIS索引策略后,开源二进制翻译系统QEMU的后端指令查找时间减少了70％,整个系统执行效率提高了15％.     

基于动态反馈的标志位线性分析算法

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.如果源平台通过标志位进行条件跳转,那么如何处理标志位就成为翻译中的一个重要问题,对翻译的代码质量起着决定性作用.提出标志位线性分析算法,复杂度为线性,基本上能够消除所有的标志位冗余计算,提高了动态执行的效率.基于动态profiling技术,消除了间接跳转的基本块标志位冗余计算.分析了spec 2000中的大部分整点测试例子,实验结果表明,EfLA(Eflag linear analysis)算法对于大运算量的程序是非常有效的.     

IA-64二进制翻译中跳转表恢复技术

基于IA-64体系结构下二进制翻译系统,本文提出了应用过程内静态切片技术恢复索引跳转中跳转表以及目标地址的解决方案。并通过在IA-64体系结构上对C和C 编译器产生的代码进行测试,表明通过该技术可以很好的解决二进制翻译中跳转表的恢复问题,提高二进制解码的覆盖率。     

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。     

IA-64二进制翻译中跳转表恢复技术

基于IA-64体系结构下二进制翻译系统,本文提出了应用过程内静态切片技术恢复索引跳转中跳转表以及目标地址的解决方案.并通过在IA-64体系结构上对C和C++编译器产生的代码进行测试,表明通过该技术可以很好的解决二进制翻译中跳转表的恢复问题,提高二进制解码的覆盖率.     

Translating the ARM Neon and VFP instructions in a binary translator

Binary translation attempts to emulate one instruction set with another on the same or different platforms. The important technique is widely used in modern software. Vector and floating‐point instructions are widely used in many applications, including multimedia, graphics, and gaming. Although these instructions are usually simulated with software in a binary translator, it is important to support them such that the host single‐instruction, multiple‐data (SIMD) and floating‐point hardware are efficiently used during emulation. We report our design and implementation of the emulation of ARM Neon and vector floating point (VFP) instructions in the machine‐code‐to‐low‐level‐virtual‐machine (MC2LLVM) binary translator. The Neon and VFP instructions are first translated into carefully chosen sequences of LLVM intermediate representation (IR), and later, the IR sequences are optimized and translated into the host native binary by the existing LLVM backend. Because MC2LLVM makes use of the vector and floating‐point types in LLVM IR, the generated host native binary can take full advantage of the vector and floating‐point functional units, if present, of the host machine. To be fully compliant with Neon and VFP instruction sets, all the features are supported, including the flush‐to‐zero mode, default not a number mode, and floating‐point exceptions. The experimental results show that code generated by MC2LLVM with the Neon and VFP extensions achieves an average speedup of 1.174× in SPEC 2006 benchmark suites and exhibits a floating‐point throughput of 12.05× in LINPACK, compared with code generated by MC2LLVM without the Neon and VFP extensions. Furthermore, MC2LLVM is 3.36× faster than QEMU for processing Neon/VFP instructions. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.     

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。     

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。     

结构化文本语言编译器的虚拟机指令设计与优化

针对自主开发 IEC61131结构化文本(ST)语言编译器的需求,设计了一套机器无关的虚拟机指令集,指令集按照数据传送、算术运算、逻辑运算、位操作、比较操作、流程控制、函数调用等类型划分,采用三地址码的四元式表示.基于该指令集,设计了结构化文本语言的 IF语句、FOR语句、CASE语句、EXIT语句的指令形成算法,编译器将结构化文本语言编译为二进制指令文件.针对FOR语句提出了"向上计数"、"向下计数"、"动态确定上下限"的3种翻译模式,针对CASE语句提出了基于短路求值和跳转表混合的翻译模式,可优化FOR语句、CASE语句的指令结构.对编译形成的二进制指令,采用常量折叠计算、代数简化、临时变量消除、引用点分析等手段,进一步优化指令.实验测试结果表明,优化后的指令在嵌入式工控装置中的解释执行时提升了效率.     

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。     

浮点到定点的高效翻译策略研究

动态二进制翻译中,在目标平台没有浮点部件、不支持浮点运算的情况下,浮点指令只能通过模拟解释执行。浮点指令的解释执行造成翻译系统效率急剧下降。通过将浮点指令运算转化为定点运算,解决了浮点指令在目标平台的翻译,为浮点指令的翻译找到了新的途径。在动态二进制翻译系统中进行实验,验证了翻译方法的可行性。实验显示翻译系统的性能有明显提升,含有浮点指令的比例越高,算法能够获得的加速比越高,对含有25%浮点指令的程序,该算法能达到1.55的加速比。     

研究人工智能的一条新途径

计算机的所有功能都是由指令组成的程序实现的,从计算机功能角度去研究人工智能的基本要素具有探索意义。在区分了人类智力表示和人工智能问题的概念及描述了计算机功能序的概念后,证明了人类智力表示不能都由计算机实现;证明了从计算机功能研究已解决和将得到解决的人工智能问题的可行性,并找到了这些人工智能问题与计算机功能序之间的关系。在基于文中提出的指令集功能完全性和独立性概念描述了极小指令集概念之后,证明了通用计算机所有计算功能的实现只需要5种基本指令。由于指令集代表了计算机所具有的全部功能,从而建立了极小指令集与人工智能问题之间的联系。文中的讨论表明从研究极小指令集中的指令的特性和深入探讨指令有限重复排列的行为规律去研究人工智能是一条可行的途径。     

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。     

Towards a verified compiler prototype for the synchronous language SIGNAL

SIGNAL belongs to the synchronous languages family which are widely used in the design of safety-critical real-time systems such as avionics, space systems, and nuclear power plants. This paper reports a compiler prototype for SIGNAL. Compared with the existing SIGNAL compiler, we propose a new intermediate representation (named S-CGA, a variant of clocked guarded actions), to integrate more synchronous programs into our compiler prototype in the future. The front-end of the compiler, i.e., the translation from SIGNAL to S-CGA, is presented. As well, the proof of semantics preservation is mechanized in the theorem prover Coq. Moreover, we present the back-end of the compiler, including sequential code generation and multithreaded code generation with time-predictable properties. With the rising importance of multi-core processors in safetycritical embedded systems or cyber-physical systems (CPS), there is a growing need for model-driven generation of multithreaded code and thus mapping on multi-core. We propose a time-predictable multi-core architecture model in architecture analysis and design language (AADL), and map the multi-threaded code to this model.