基于QEMU的RISC-V程序性能分析

开源指令集规范RISC-V具有模块化、高可定制的特点,可根据特定应用或需求定制指令集,从而优化性能、节约能耗,提高芯片的应用适配性。为了分析目标场景的需求以优化指令集设计,往往需要基于模拟器深入分析目标应用的特点。为此,本文面向RISC-V,提出了一种基于QEMU模拟器的程序性能分析技术,以动态二进制插桩的方式收集程序的运行信息,并结合调试信息进行基本块级和函数级的热点标注。相比于传统的性能分析技术(如Gprof等),本技术具有以下优势:一是不受硬件平台和操作系统的限制,适用于早期的指令集设计阶段;二是考虑了模拟器与真实芯片之间执行指令的差异,引入指令预估代价模型对结果进行修正。此外,本文提出的性能分析技术也可用于指导程序性能优化以及编译优化等。

基于QEMU的SIMD指令替换浮点指令框架

现在,几乎每个处理器架构都已经加入了对SIMD(single instruction multiple data)指令的支持,SIMD指令能同时对一组数据执行相同的操作,通过数据并行来提高处理器的处理性能.但是大部分动态二进制翻译器忽略了本地SIMD指令的利用,而是以软件语言实现来模拟浮点计算.本文提出了一种基于QEMU翻译系统的FP-QEMU框架,FP-QEMU框架采用SIMD指令来优化替换浮点计算指令,并在X86和ARM平台上完成了完整的浮点实现.该框架可以识别动态二进制翻译系统中的浮点计算优化机会并利用SIMD指令来提升系统翻译的性能.采用SPEC 2006作为测试基准,实验表明相比QEMU,FP-QEMU跨平台的ARM应用在X86计算机上运行的最高加速比可达51.5%,平均加速比达到37.42%.

基于QEMU的Tcache管理策略

QEMU是一款广泛使用的虚拟机软件,它通过Tcache对代码进行调整与控制,改善其性能。对Tcache的特性进行了详尽的研究,主要涉及命中时间、缺失率和缺失代价。引入二进制翻译系统中常用的几种替换算法,如全清空和先进先出方法,并研究了各种算法不同的技术特性。最后结合profile技术以及先进先出、全清空算法,提出一种全新的Tcache替换算法。通过修改算法前后测试nbench,迭代次数较修改前提高了很多。

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.

基于QEMU仿真的ARM多核启动技术研究

针对QEMU模拟仿真软件6.1.0版本下基于ARM内核的VIRT模拟器运行天脉操作系统时,不能正确启动处理器各个从核的问题,分析了VIRT模拟器针对ARM处理器从核的启动方式及流程,同时查阅了ARM体系结构手册中关于处理器从核启动的相关指令说明,进一步分析天脉操作系统中关于从核启动的相关代码,找出了天脉操作系统从核启动代码与VIRT模拟器从核启动流程之间的匹配差异。通过修改VIRT模拟器的从核启动代码,完成对天脉操作系统从核启动代码的匹配。在不改动天脉操作系统从核启动代码的情况下,顺利将模拟的ARM处理器各个从核启动成功。

基于QEMU的高效指令追踪技术

系统模拟器通过模拟处理器、内存、外设等硬件资源创建一个完整的虚拟计算机环境,支持运行和调试不同架构的软件,可大大缩短跨架构的软件开发周期.模拟器的调试模块通常具有指令追踪功能,可记录程序运行的指令序列以用于进一步分析,如程序运行时间评估、程序行为模式分析、软硬件联合仿真等.支持RISC-V架构的主流模拟器QEMU和Spike均具有指令追踪功能,但其时间和空间开销过大,在应对规模较大的应用时效率低下.本文提出了一种基于QEMU的指令追踪技术,将程序中的基本块、控制流图等静态信息与分支选择等动态信息解耦,在保证指令序列不失真的同时高效追踪执行序列.相比QEMU原生实现的指令追踪,本文提出的指令追踪技术的时间开销平均降低了80%以上,空间开销平均降低了95%以上.此外,本文面向RISC-V架构,实现了多种场景下的指令序列离线分析,包括指令分类统计、程序热点标记、行为模式分析等.

基于QEMU仿真的GIC中断处理技术研究

QEMU6.1.0版本下,基于ARM体系架构开发的VIRT模拟器,在运行天脉操作系统时无法正确触发GIC中断控制器产生中断的问题,分析了VIRT模拟器对于GIC中断控制器的初始化以及触发操作,同时查阅了GIC中断控制器的相关说明文档,进一步分析天脉操作系统中有关中断控制器的初始化代码,找出了VIRT模拟器与天脉操作系统在GIC中断控制器初始化和使用方式上的具体差异。通过修改VIRT模拟器中与GIC中断控制器相关的代码完成对天脉操作系统的适应。在不改动天脉操作系统代码的情况下,顺利将VIRT模拟器模拟的GIC中断控制器驱动运行成功。

基于QEMU的AARCH64平台仿真技术的研究

在嵌入式软件开发过程中,通常可以使用仿真技术模拟目标硬件平台,进行软件运行环境的仿真。通过仿真器对目标硬件的CPU、内存和输入/输出(I/O)设备等进行仿真,支持用户可以在不具备硬件条件的情况下,尽快地开展嵌入式软件的开发工作。研究了基于开源的虚拟操作系统模拟器(QEMU)仿真器平台,选取了目前嵌入式领域常用的国产飞腾2000嵌入式处理器作为仿真目标,以验证仿真AARCH64平台QEMU虚拟机的可行性,方便用户开展嵌入式软件的开发。

基于QEMU视频监控系统的设计与实现

从嵌入式的发展背景以及产品开发过程中出现的开发周期时间长、软硬件错误难定位等问题出发,基于QEMU虚拟化技术,通过模拟硬件+软件的方式设计实现了一种基于QEMU的嵌入式软件开发方法,最后设计实现了一款视频监控系统验证该方案的可行性。通过实验表明,基于QEMU的嵌入式软件开发方法可在脱离硬件产品约束的情况下快速进行软件的功能开发和系统测试,提高嵌入式软件开发效率。

基于QEMU的跨平台静态二进制翻译系统

为了实现快速映射间接分支目标地址,提出地址索引映射表法,使用地址数组按源地址顺序保存所有对应的目的地址,索引数组存储源地址在地址数组中的索引位置,只需要几条指令就可以完成源地址到目的地址的映射,提高了执行速度.为了加快函数的调用处理,提出将本地栈作为影子栈、与本地库函数封装相结合的方法.本地栈模拟参数传递和返回,加速函数调用.结合封装接口处理参数和返回值,实现间接调用本地库函数,提高了函数处理能力.基于上述方法和QEMU,设计并实现了静态二进制翻译系统SQEMU.基于SPEC2006和nbench测试集,从x86平台翻译到Alpha平台的实验表明,SQEMU相对QEMU平均加速比分别达2.09倍和6.39倍.

基于QEMU的可重构专用处理器模拟器实现

针对基于SystemC的可重构专用处理器模拟器在整个系统的仿真时(包括操作系统、驱动、API及应用程序)耗时久、影响开发进度的问题,提出一种基于QEMU的模拟器设计方法。根据可重构专用处理器的功能特点和系统架构,对可重构专用处理器进行抽象,利用在仿真速度上优势明显的QEMU,设计并实现一个在功能和内部存储上精确的模拟器。实验测试结果表明,该模拟器提高了全系统仿真时的速度,在硬件开发板尚未就位前,为软件开发人员提供了一个可以进行软件开发和测试的平台,提高了开发效率。

基于KVM和QEMU的虚拟桌面系统的实现与应用

介绍一个基于开源Linux技术,尤其是KVM模块和QEMU项目开发的虚拟桌面系统的主要设计思想和实现框架。该系统集成了基于web的管理模块,实现对宿主机、虚拟桌面、模板、桌面池和存储域的管理功能,从而使得用户可以很方便地从传统PC、瘦客户端,以及其他智能设备通过标准的SPICE协议连接到作为进程运行在虚拟机服务器上的桌面。对该虚拟桌面系统的部署方案和应用场景进行了阐述。

基于QEMU的虚拟可信平台模块的设计与实现

针对可信计算机系统信任链传递过程中的安全性缺陷,提出了在虚拟机中进行信任链传递的虚拟机穿越技术,并在QEMU虚拟机中实现了虚拟可信平台模块。虚拟可信平台模块通过采用信息代理的实现方式并利用虚拟机的封闭性和隔离性为可信计算机系统信任链传递提供了一个安全、高效和透明环境。通过KnoppixLinux分析和比较了QEMU虚拟机中实现的虚拟可信平台模块和Xen中基于可信平台模拟器的虚拟可信平台模块。

基于QEMU的嵌入式系统仿真环境的构建

以QEMU开源指令级仿真软件作为硬件仿真平台,对以MINI2440开发板为代表的ARM9嵌入式平台进行模拟仿真,实现在没有ARM硬件的情况下进行各种系统移植实验和基于该嵌入式系统环境的应用程序开发。首先使用QEMU仿真软件对S3C2440嵌入式环境进行仿真,然后移植实现了以U-Boot为引导程序、ARM-LINUX为内核、rootfs_qtopia_qt4为文件系统的嵌入式仿真系统。在该系统图形环境中,可以进行基于QT4的应用程序研究开发。该仿真环境的构建,为嵌入式软件开发者提供了高效且廉价的学习开发平台。

自修改代码对QEMU翻译效率的影响分析

自修改代码是二进制翻译研究中的难点和影响翻译效率的重要因素。众多文献介绍了自修改代码对二进制翻译效率的影响,但均缺乏量化分析。针对上述问题,利用QEMU作为实验平台,对自修改代码和非自修改代码进行了大量的测试,量化地分析了自修改代码对翻译器的翻译效率和翻译块数量的影响。研究结果表明,在QEMU翻译器上,自修改代码随着自修改同比次数增长,其执行时间的增加速度平均是非自修改程序的5.82倍。平均每增加1次自修改,对应在QEMU上的翻译块数量约增加10.51块。

使用QEMU模拟运行Windows

QEMU是一套开源的跨平台模拟器,该文主要介绍QEMU的常用命令以及使用QEMU模拟运行Windows 98 CE的方法和步骤。

一种基于QEMU的仿真技术

针对嵌入式操作系统开发过程中软硬件错误难定位、软件周期时间长的问题,提出一种基于开源仿真平台QEMU的仿真器设计方法。根据嵌入式处理器的功能特点和QEMU支持的硬件设备仿真和跨平台异构体系结构指令级仿真的特性,设计并实现了一个功能和性能能精确仿真的工具。实验结果表明,仿真器支持对ARM和X86平台的指令级仿真,在嵌入式操作系统的开发过程中能为软件开发人员提供一个开发和测试的平台,提高了开发效率。

基于QEMU的CAN网络仿真

为了缩短CAN网络的开发周期,降低成本,通常先通过软件进行仿真。在此采用QEMU作为其单个结点,并通过Socket CAN将各个结点链接起来组成CAN(Controller Area Network)虚拟网络。在设计单结点时,采用最新的QOM(QEMU Object Model)模型,设计了通用的独立CAN控制器SJA1000,包括设备模型、设备前后端、设备驱动的设计。最后在QEMU实现了虚拟CAN设备,给出了其功能测试结果,并对搭建的CAN网络进行了性能测试,满足仿真要求。

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.

基于QEMU-KVM的密码计算资源虚拟化方法

传统的密码服务是通过密码机、密码卡直接实现,然而面对云环境下密码需求复杂多变、用户数量巨大的特点,这种相对固定的密码设备部署方法已经无法满足动态多样的需求.为了解决这个问题,设计一种能够实现密码计算资源虚拟化的方法.该方法采用QEMU-KVM虚拟化技术对密码计算资源进行虚拟化,并在此基础上提出一种实用的密码计算资源虚拟化框架.仿真实验表明,该方法可以完成对密码计算资源的虚拟化,能够实现计算资源的动态配置.