內(nèi)核級二進制翻譯系統(tǒng)設計及性能優(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，針對一種體系結構的處理器（如x86體系結構處理器）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構處理器（如MIPS體系結構處理器）上運行。當前，軟件兼容性問題已經(jīng)影響到底層硬件設計，上層軟件開發(fā)以及終端用戶體驗等計算機技術的各個層面。
　　 二進制翻譯是一種翻譯執(zhí)行二進制程序的技術，能

2、夠在一種處理器上直接翻譯執(zhí)行其他體系結構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。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構處理器的可執(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構處理器上執(zhí)行的指令。
　　 近些年，隨著云計算的興起和計算機體系結構的發(fā)展，二進制系統(tǒng)的應用范圍日益廣泛。然而，在實際的應用過程中，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)量不高導致執(zhí)行性能降低;
　　 3）目標體系結構與宿主體系結構差異導致性能下降;
　　 4）對與操作系統(tǒng)內(nèi)核交互的應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)設計了一種新的應用軟件內(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)設計了新的硬件設備模擬方式。該方式利用內(nèi)核態(tài)程序能直接操縱底層硬件設備的特性，將傳統(tǒng)的純軟件模擬硬件設備的方式升級為使用實際的硬件設備模擬目標硬件。這種模擬方式能夠將軟件的工作量減少到最低的程度。
　　 5)設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