I386到Alpha动态二进制翻译中的代码缓存管理优化

动态二进制翻译是跨平台软件移植的最重要手段之一,如何对其进行优化,提高翻译效率一直是研究的热点。文章对I386到Alpha平台的动态二进制翻译进行了研究,提出了一种较好的翻译缓存管理策略,在FIFO的基础上将翻译缓存划分为两级进行管理。以QEMU动态二进制翻译器为实验平台进行测试,结果表明,采用此方法可以提升翻译速度约3%。     

I386到Alpha动态二进制翻译中的代码缓存管理优化

动态二进制翻译是跨平台软件移植的最重要手段之一,如何对其进行优化,提高翻译效率一直是研究的热点。文章对I386到Alpha平台的动态二进制翻译进行了研究,提出了一种较好的翻译缓存管理策略,在FIFO的基础上将翻译缓存划分为两级进行管理。以QEMU动态二进制翻译器为实验平台进行测试,结果表明,采用此方法可以提升翻译速度约3%。     

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％.     

基于开源虚拟机的模拟设备的设计与实现

为了进行软硬件的并行开发,同时也提高内核态驱动的开发与测试效率,借助于开源虚拟机,实现了模拟的电子模块系统并行总线(QBUS)仿真接口。出于开源与效率考虑决定采用虚拟机QEMU。基于QEMU的模拟设备的实现有两个方面的难点:1)QEMU虚拟机的工作原理及其I/O框架,2)模拟设备的之间的通信方式。在研究了QEMU虚拟机的工作原理及其I/O框架基础上,设计并实现了模拟QBUS设备之间,基于socket设备组通信模型,模拟QBUS设备与物理设备之间,基于虚拟设备转发的通信模型。有效地解决了模拟设备之间,模拟设备与物理设备之间数据传输对应用程序不透明的问题。     

基于QEMU仿真平台下RTEMS应用测试技术研究

多处理系统实时内核(Real Time Executive for Multiprocessor Systems,RTEMS)多应用于航空和武器控制系统。通过虚拟化技术设计了QEMU虚拟机下仿真RTEMS嵌入式操作系统,同时使用Socket API生成TLM通信信道连接SystemC进行虚拟I/O设备仿真,测试代理控制和驱动测试,使测试在早期阶段就可以进行,让潜在的缺陷和问题尽早地暴露出来,增强系统的安全性和可靠性。     

二进制翻译中动静结合的寄存器分配优化方法

针对二进制翻译器QEMU(quick emulator)在寄存器映射时未考虑基本块之间以及循环体之间对寄存器需求的差异,造成不必要的寄存器溢出而导致的冗余访存开销问题,引入全局寄存器静态映射和局部寄存器动态分配思想,提出高效的基于优先级的动静结合寄存器映射优化算法.该算法首先基于源平台不同寄存器使用的统计特征和各变量的生命周期,静态进行全局寄存器映射;然后依据中间表示与源平台寄存器之间的映射关系,获取基本块中间指令需求寄存器次数并排序确定寄存器分配的优先级;之后依据优先级顺序动态进行寄存器分配,从而减少寄存器溢出次数,降低生成的本地代码的膨胀率以及访存次数,提高目标程序性能.对NBENCH、典型的递归程序和SPEC2006的测试表明:该算法有效地减少了本地代码的访存次数,提高了程序性能,平均比优化前性能分别提升了8.67%, 825%, 8.10%.     

基于QEMU的动态二进制插桩技术

软件插桩是程序优化、软件调试、软件测试、故障定位等软件动态分析的基础技术.而其中,动态二进制插桩技术,因其无侵入性,即既不需要对源代码进行修改编译,又不需要重新组装二进制程序,不会引起目标码膨胀,而广泛应用于软件动态分析,特别是在资源受限、功耗低、实时性高的嵌入式软件领域,动态二进制插桩技术十分关键.然而,现有的二进制插桩工具仅能应用于用户态软件分析,在嵌入式全系统软件领域,还没有相应的二进制插桩工具.针对上述问题,在基于动态二进制翻译的开源指令集仿真器QEMU(quick emulator)基础上,研究突破基本块运行时间统计收集,并消除中断对嵌入式系统软件控制流分析的不良影响,实现了在中间码上对嵌入式全系统软件的动态二进制插桩,完成嵌入式全系统软件运行控制流跟踪,并开发日志处理工具.实验表明,该方法能完成目标码的调用图、函数剖面、覆盖率、控制流等分析,可以解决了嵌入式全系统软件动态二进制分析问题.     

一种高效解决间接转移的反馈式静态二进制翻译方法

为了在追求程序执行效率的同时解决静态二进制翻译中的间接转移问题,针对现有间接转移问题处理方法中线性遍历翻译方式代码优化较少、冗余代码较多的缺陷,提出了基于基本块翻译的反馈式静态二进制翻译方法,并结合二级地址映射表实现了间接转移目标地址的快速映射.首先,在目标可执行程序运行过程中添加监控反馈机制解决代码发现问题,对未确定的间接转移地址进行反馈,以便对源程序重新划分基本块并重新翻译执行;然后构造二级地址映射表,借助二级地址映射快速解决代码定位问题.在开源二进制翻译平台QEMU(quick emulator)上实现了反馈式静态二进制翻译框架FD-SQEMU(feedback static QEMU),并基于SPEC2006和NBENCH测试集进行测试,与QEMU相比,FD-SQEMU平均加速比分别达到3.97倍和6.94倍;与课题组之前提出的保存源程序指令全地址的静态SQEMU翻译器相比,FD-SQEMU的平均加速比达到1.18倍,最高加速比达到了1.36倍,验证了提出的框架和方法的有效性.     

Efficient and retargetable SIMD translation in a dynamic binary translator

The single‐instruction multiple‐data (SIMD) computing capability of modern processors is continually improved to deliver ever better performance and power efficiency. For example, Intel has increased SIMD register lengths from 128 bits in streaming SIMD extension to 512 bits in AVX‐512. The ARM scalable vector extension supports SIMD register length up to 2048 bits and includes predicated instructions. However, SIMD instruction translation in dynamic binary translation has not received similar attention. For example, the widely used QEMU emulates guest SIMD instructions with a sequence of scalar instructions, even when the host machines have relevant SIMD instructions. This leaves significant potential for performance enhancement. We propose a newly designed SIMD translation framework for dynamic binary translation, which takes advantage of the host's SIMD capabilities. The proposed framework has been built in HQEMU, an enhanced QEMU with a separate thread for applying LLVM optimizations. The current prototype supports ARMv7, ARMv8, and IA32 guests on the X86‐64 AVX‐2 host. Compared with the scalar‐translation version HQEMU, our framework runs up to 1.84 times faster on Standard Performance Evaluation Corporation 2006 CFP benchmarks and up to 6.81 times faster on selected real applications.     

基于QEMU RISC-V架构的OpenHarmony标准系统移植

RISC-V指令集架构的诞生促进了RISC-V硬件平台的快速发展,因此,在RISC-V架构硬件平台上运行高效且易于使用的操作系统需求日益增加.面向分布式、开源开放的智能终端操作系统OpenHarmony技术正在不断演进,其生态持续繁荣.然而,将OpenHarmony适配到RISC-V指令集架构平台上面临新的挑战,包括软件栈和芯片移植的问题. RISC-V指令集架构平台的软件栈和芯片移植存在新的挑战.本文提出了基于RISC-V QEMU平台的OpenHarmony标准系统移植的思路和方法,通过对关键软件栈进行适配和在QEMU RISC-V虚拟化硬件平台上移植图形显示驱动,成功实现了OpenHarmony标准系统在QEMU RISC-V虚拟化硬件平台上的正常启动,并进入系统桌面.该成果为开发者提供了在RISC-V平台上测试应用OpenHarmony标准系统的平台,并为新的RISC-V硬件平台上移植OpenHarmony标准系统提供了参考.