內(nèi)核級二進制翻譯系統(tǒng)設(shè)計及性能優(yōu)化.pdf

1、隨著計算機系統(tǒng)的發(fā)展，新的硬件平臺不斷推出，在推動計算機系統(tǒng)性能不斷提高的同時，也使得軟件兼容性問題日益突出。軟件兼容性問題產(chǎn)生的根源在于，針對一種體系結(jié)構(gòu)的處理器（如x86體系結(jié)構(gòu)處理器）編譯出來的二進制可執(zhí)行文件，無法直接在另一種體系結(jié)構(gòu)處理器（如MIPS體系結(jié)構(gòu)處理器）上運行。當(dāng)前，軟件兼容性問題已經(jīng)影響到底層硬件設(shè)計，上層軟件開發(fā)以及終端用戶體驗等計算機技術(shù)的各個層面。
　　 二進制翻譯是一種翻譯執(zhí)行二進制程序的技術(shù)，能

2、夠在一種處理器上直接翻譯執(zhí)行其他體系結(jié)構(gòu)處理器的二進制程序，可以在可控的人力投入范圍內(nèi)解決軟件兼容性問題。二進制翻譯可以理解為一種特殊的編譯技術(shù)。傳統(tǒng)編譯器的前端是高級語言，后端生成針對某種體系結(jié)構(gòu)處理器的可執(zhí)行指令，而二進制翻譯器的前端是某種處理器的二進制代碼，后端生成可在另一種體系結(jié)構(gòu)處理器上執(zhí)行的指令。
　　 近些年，隨著云計算的興起和計算機體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展，二進制系統(tǒng)的應(yīng)用范圍日益廣泛。然而，在實際的應(yīng)用過程中，存在如下幾

3、個制約二進制翻譯系統(tǒng)發(fā)展的技術(shù)難題:
　　 1）執(zhí)行過程引入過多額外工作負載;
　　 2）翻譯后指令質(zhì)量不高導(dǎo)致執(zhí)行性能降低;
　　 3）目標(biāo)體系結(jié)構(gòu)與宿主體系結(jié)構(gòu)差異導(dǎo)致性能下降;
　　 4）對與操作系統(tǒng)內(nèi)核交互的應(yīng)用軟件支持不夠完善。
　　 圍繞上述幾個問題，本文以內(nèi)核中的二進制翻譯系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)為中心，從性能和功能兩個方面入手，一方面研究如何利用內(nèi)核和底層硬件特性對系統(tǒng)進行深度優(yōu)化，另一方

4、面利用內(nèi)核的特性對傳統(tǒng)二進制翻譯系統(tǒng)的功能進行擴展，使之支持新的執(zhí)行模式。本文主要的研究內(nèi)容和創(chuàng)新點可概括為以下幾點:
　　 1)設(shè)計并實現(xiàn)了內(nèi)核級動態(tài)二進制翻譯系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有不同于傳統(tǒng)動態(tài)二進制翻譯系統(tǒng)的新執(zhí)行模式，其目標(biāo)程序的執(zhí)行環(huán)境和與操作系統(tǒng)的交互方式都與用戶態(tài)二進制翻譯系統(tǒng)有顯著不同。同時，內(nèi)核態(tài)的特殊性給二進制翻譯系統(tǒng)的性能優(yōu)化帶來了新的突破點。
　　 2)提出了軟硬結(jié)合的二進制翻譯系統(tǒng)指令管理與查找策略。

5、該策略通過加速單次指令查找速度提升系統(tǒng)整體性能。與傳統(tǒng)的利用純軟件技巧減少指令查找次數(shù)的優(yōu)化方法相比，充分利用了硬件的性能優(yōu)勢，優(yōu)化效果較為明顯，進一步優(yōu)化的潛力也較大。
　　 3)設(shè)計了一種新的應(yīng)用軟件內(nèi)核駐留模塊翻譯執(zhí)行模式。傳統(tǒng)的用戶態(tài)二進制翻譯系統(tǒng)只能通過翻譯執(zhí)行整個操作系統(tǒng)的方式來實現(xiàn)內(nèi)核模塊的跨平臺運行，而本文提出的內(nèi)核級二進制翻譯系統(tǒng)設(shè)計了專門的執(zhí)行模式，能夠直接翻譯執(zhí)行內(nèi)核模塊。由于減少了翻譯執(zhí)行的指令數(shù)量，該模

6、式顯著提高了系統(tǒng)的執(zhí)行效率。
　　 4)設(shè)計了新的硬件設(shè)備模擬方式。該方式利用內(nèi)核態(tài)程序能直接操縱底層硬件設(shè)備的特性，將傳統(tǒng)的純軟件模擬硬件設(shè)備的方式升級為使用實際的硬件設(shè)備模擬目標(biāo)硬件。這種模擬方式能夠?qū)④浖墓ぷ髁繙p少到最低的程度。
　　 5)設(shè)計了面向龍芯計算平臺的動態(tài)二進制翻譯系統(tǒng)翻譯規(guī)則優(yōu)化策略。該策略利用動態(tài)二進制翻譯系統(tǒng)執(zhí)行過程中獲得的目標(biāo)程序動態(tài)信息，統(tǒng)計并分析了動態(tài)二進制翻譯系統(tǒng)后端指令執(zhí)行規(guī)律，在這一