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动态二进制翻译的主从式多线程并行架构及优化技术研究

崔进鲜  
【摘要】:动态二进制翻译将源体系结构的二进制码翻译到目标体系结构上运行,不仅解决了软件跨平台不兼容问题,还对检测系统漏洞和促进国内自主设计CPU芯片有重大意义。传统的单线程动态二进制翻译限制了性能的优化空间,多核环境的普及、多线程编程技术的成熟和高性能计算机的飞速发展对应用软件的性能带来了明显的提高,也为动态二进制翻译及优化提出了新的思路和挑战。 目前的多线程动态二进制翻译器存在并行度和效率低的问题,为了得到更大的效率提升,本文针对单线程动态二进制翻译的工作原理和多线程编程的关键问题进行了研究,并在此基础上提出并实现了动态二进制翻译的多线程并行框架及若干优化技术。本文的具体工作和创新为:第一、针对传统的二进制翻译框架效率低的问题,在对其各个模块进行了详细的性能分析和评测的基础上,利用多线程编程技术提出并实现了MDT(Master-slave multithreaded Dynamic binary Translation)框架。该框架采用主线程执行基本块、从线程翻译和优化基本块的模型,在多核处理器上采取硬亲和力获得了翻译性能的较大提升。第二、为更好地实现基本块的预翻译,在翻译策略上,从线程构建基本块翻译树,结合静态二进制翻译中的翻译策略和二叉树的深度搜索算法,提出基于关键路径覆盖的多目标地址翻译策略;在T-Cache管理上,综合考虑程序的时空间局部性、多级Cache管理和LRU策略,提出分路径翻译装入分区域LRU换出的管理算法,使基本块的预翻译率得到进一步提高。第三、针对多循环程序优化空间大的特点,MDT对热路径进行提取并分别进行中间表示和目标码级别的优化,在对目标码的优化过程中,将窥孔优化和动态二进制翻译结合,非常有效地减小了目标码的膨胀率,使多循环程序的翻译效率得到较大提升。 通过利用SPEC2006基准测试集对MDT系统的整体及部分相关测试表明,总运行效率相对于单线程动态二进制翻译系统平均提升50%,基本块预翻译命中率平均达85%,中间代码和目标码优化使代码膨胀率降低50%。实验结果验证了MDT多线程框架及其相关优化技术的正确性和有效性。


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