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软硬协同动态二进制翻译系统设计与实现

徐帆  
【摘要】:动态二进制翻译技术最初被用于解决不同处理器平台间的二进制代码兼容问题,后被应用于虚拟机设计中,成为实现虚拟机并提升虚拟机性能的重要支撑技术。目前,动态二进制翻译技术在桌面、服务器、嵌入式等不同规模系统的虚拟化中均发挥重要作用,被成功地应用于包括功耗管理、系统安全、软件cache管理、指令集翻译以及内存管理等多个方面。然而,传统的基于软件实现的动态二进制翻译系统存在着的开销较大、代码cache管理效率低等固有缺陷。此外,多核时代的到来也给现有的动态二进制翻译技术提出了新的挑战。如何利用动态二进制翻译与优化技术充分发挥多核的优势也成为摆在设计者们面前的一项新课题。 软硬协同的动态二进制翻译系统能够有效克服软件动态二进制翻译技术的固有缺陷,它定制专用硬件模块完成查表、缓存管理等常用功能,从而提高整个系统的性能。本文在广泛深入研究当前动态二进制翻译与优化技术发展现状的基础上,探索并提出了在异构多核平台上实现软硬件协同动态二进制翻译系统的方法。本文取得的主要研究成果有: 1)提出了一种异构双核软硬协同动态二进制翻译系统模型CDBTS。它将执行模块放在目标处理器核上,而将翻译模块放在专门定制的协处理器模块上,并在设置了专用的查表、缓存管理等硬件逻辑,既提高了系统性能,又增强了系统的灵活性。 2)设计并实现了一种基于缺页中断的动态二进制翻译VMM。它能捕获用户程序执行时产生的缺页中断,以较小的开销完成对用户程序执行的监控、对未翻译代码的捕获和转发、对已翻译代码的链接等工作,并可以很容易地移植到不同的目标平台上,大大提高了CDBTS的灵活性。 3)为CDBTS定制了一种基于双端口RAM的代码Cache,大大减少了两个处理器核访问代码Cache的冲突,保证了数据的一致性。研究了代码Cache的管理策略,并实现了对应硬件管理模块。 4)分析了现有的动态二进制优化系统的优势和不足,结合多核平台的特点,提出了一种面向多核平台的多线程动态优化框架,并深入研究了使用现有技术实现该动态优化框架的可行性,以及在CDBTS模型上实现该框架的方法。 为了验证了上述工作的正确性和有效性,本课题设计实现了一款源体系结构为IA-32,目标体系结构为ARM的软硬协同动态二进制翻译系统CDBTS-X2A。实际测试结果表明,CDBTS-X2A工作正确,性能优于传统的软件动态二进制翻译系统。


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