动态二进制翻译技术综述

在构建国产软件生态系统中,解决程序的兼容性问题至关重要。随着计算机架构的多样化发展,确保软件能够在不同平台和硬件环境中顺畅运行,已经成为当下软件开发过程中的一项紧迫任务。在此背景下,动态二进制翻译(DBT)技术展现出其重大意义。作为一种实现不同指令集架构(ISA)之间程序或软件互操作性的核心技术,DBT通过运行时指令转换,不仅实现了软件跨平台的兼容运行,也极大地扩展了软件的适用范围和灵活性。然而,DBT技术的引入同样对系统在运行效率和资源利用率方面提出了更高的要求。对DBT技术的相关内容进行了综述,包括其基本工作原理、研究进展、关键技术以及相应的优化方法。介绍了DBT技术的基本原理及发展历程。详细阐述了DBT的研究进展,尤其是在提高翻译准确性和执行效率方面所取得的重要成果。进一步地,对六类DBT优化技术特性进行了介绍,这些技术包括:基于运行时优化、基于控制流优化、基于指令级优化、基于安全性与隔离性优化、基于资源管理优化以及基于软硬件协同优化。分别基于这些关键技术进一步分类总结,介绍了各自的优化技术及面临的挑战。从技术发展趋势、应用领域扩展、性能提升策略等多个角度,对DBT技术未来的研究方向和发展前景进行了探讨。

二进制翻译技术综述

随着信息技术的快速发展,涌现出各种新型处理器体系结构.新的体系结构出现为处理器多样化发展带来机遇的同时也提出了巨大挑战,需要兼容运行已有软件,确保较为丰富的软件生态群.但要在短期内从源码编译构建大量生态软件并非易事,二进制翻译作为一种直接从二进制层面迁移可执行代码技术,支持跨平台软件兼容运行,既扩大了软件生态群,又有效降低了应用程序与硬件之间的耦合度.近年来,二进制翻译技术研究取得了较大进展.为总结现有成果并分析存在的不足,首先介绍二进制翻译技术的分类以及典型的二进制翻译系统,之后从指令翻译方法、关键问题研究、优化技术等方面分别进行分析总结,接着阐述二进制翻译技术的核心应用领域,最后对二进制翻译技术的潜在研究方向进行展望.

以RISC-V为目标的动态二进制翻译代码质量优化方法

动态二进制翻译是解决一款指令集面临生态系统壁垒问题的主流技术,通过将二进制程序从源指令集翻译成目标指令集,可以在目标指令集的处理器上运行源指令集的应用程序.动态二进制翻译技术的一大挑战是如何生成高质量的目标指令序列,尤其当源指令集和目标指令集存在差异时.为探究该问题,以RISC-V64指令集为目标指令集,分析了当RISC-V64,RISC-V32,MIPS32,x86分别作为源指令集时,影响动态二进制翻译技术翻译质量的因素.针对这些因素,分别提出相应优化方法,并借助RISC-V B扩展和RISC-V P扩展中的部分指令提升翻译质量.最后,提出一个新的动态二进制翻译程序DBT-FEMU实现优化.在模拟器和FPGA中的评估数据显示,运行SPEC CPU2006的整数基准程序时,优化方法可使目标程序所执行的动态指令数平均减少57%,平均性能达QEMU-i386的4.12倍.

二进制翻译中动静结合的寄存器分配优化方法

针对二进制翻译器QEMU(quick emulator)在寄存器映射时未考虑基本块之间以及循环体之间对寄存器需求的差异,造成不必要的寄存器溢出而导致的冗余访存开销问题,引入全局寄存器静态映射和局部寄存器动态分配思想,提出高效的基于优先级的动静结合寄存器映射优化算法.该算法首先基于源平台不同寄存器使用的统计特征和各变量的生命周期,静态进行全局寄存器映射;然后依据中间表示与源平台寄存器之间的映射关系,获取基本块中间指令需求寄存器次数并排序确定寄存器分配的优先级;之后依据优先级顺序动态进行寄存器分配,从而减少寄存器溢出次数,降低生成的本地代码的膨胀率以及访存次数,提高目标程序性能.对NBENCH、典型的递归程序和SPEC2006的测试表明:该算法有效地减少了本地代码的访存次数,提高了程序性能,平均比优化前性能分别提升了8.67%, 8.25%, 8.10%.

一种高效解决间接转移的反馈式静态二进制翻译方法

为了在追求程序执行效率的同时解决静态二进制翻译中的间接转移问题,针对现有间接转移问题处理方法中线性遍历翻译方式代码优化较少、冗余代码较多的缺陷,提出了基于基本块翻译的反馈式静态二进制翻译方法,并结合二级地址映射表实现了间接转移目标地址的快速映射.首先,在目标可执行程序运行过程中添加监控反馈机制解决代码发现问题,对未确定的间接转移地址进行反馈,以便对源程序重新划分基本块并重新翻译执行;然后构造二级地址映射表,借助二级地址映射快速解决代码定位问题.在开源二进制翻译平台QEMU(quick emulator)上实现了反馈式静态二进制翻译框架FD-SQEMU(feedback static QEMU),并基于SPEC2006和NBENCH测试集进行测试,与QEMU相比,FD-SQEMU平均加速比分别达到3.97倍和6.94倍;与课题组之前提出的保存源程序指令全地址的静态SQEMU翻译器相比,FD-SQEMU的平均加速比达到1.18倍,最高加速比达到了1.36倍,验证了提出的框架和方法的有效性.

动态二进制翻译中的中间表示

在二进制翻译中采用中间表示,可以适当隔离不同机器平台的特点,便于二进制翻译系统的移植。提出一种VINST中间表示方法,介绍其指令集与特点,运用SSA形式化和冗余指令删除等方法对VINST进行初步优化。优化前后的性能比较结果表明,相对简单高效的方法可以弥补优化的开销,提高系统性能。

二进制翻译中的标志位优化技术

在二进制翻译技术中 ,如何有效降低对源指令集体系结构标志位的模拟开销是一个值得研究的课题 分别针对二进制翻译中的解释执行和动态翻译 ,提出了相应的标志位模拟优化算法 ,能够有效地减少翻译生成的目标代码数量 ,提高目标代码性能 经过大量测试验证 ,在应用该标志位模拟优化算法后 ,DigitalBridge系统翻译生成的目标代码量是源体系结构目标代码量的 12 0 % ,而没有应用该优化算法时该比例是 2 5 0 % ,作为对比系统UQDBT系统的比例是 15 0 %

动态二进制翻译中全寄存器直接映射方法

二进制翻译是不同体系结构之间软件移植的重要手段。体系结构和硬件环境上的差别,可以通过二进制翻译系统来弥补,在翻译过程中往往使用多条本地指令模拟一条目标指令,翻译代码规模随之显著增加,从而导致被翻译程序的执行效率下降。寄存器作为处理器和内存交换信息的重要存储部件,寄存器的模拟器方式对于程序的性能有着至关重要的影响。为了提高特定平台翻译后代码的执行效率,提出了在动态二进制翻译机制中使用全部寄存器直接映射方法,详细分析了二进制翻译中的上下文切换原理和寄存器访问范围,为异构平台之间寄存器直接映射提供方法指导。利用QEMU模拟器,把x86架构的8个通用寄存器全部的直接映射到MIPS架构的对应寄存器,在此基础上,进行大量的指令翻译规则的简化。实验数据表明,该方法可以有效简化指令翻译,降低代码膨胀率,使得SPEC CINT 2000测试程序在龙芯CPU上翻译后代码运行时间下降了30%-40%。

利用动态二进制翻译加速应用程序行为特征分析

应用程序运行时典型行为特征分析的一种重要方法是SimPoint,但是为SimPoint生成基本块向量剖析(basic block vector profile,BBV profile)文件非常耗时.首先提出了一个利用动态二进制翻译技术生成BBVprofile的通用框架DBT-BBV,然后详细分析了几种降低开销的优化技术,最后基于DBT-BBV和提出的优化技术设计实现了一个高效的BBVProfile收集工具QPoint.利用SPEC2006测试程序集评估了所提出的优化技术和QPoint的性能和开销.与现有工具相比,QPoint有两个优势:①QPoint的性能高于现有工具,在普通PC机上最高速度为292MIPS,平均速度为109MIPS,BBV Profile收集的平均开销小于4%,在同类工具中最低;②QPoint支持众多体系结构平台,包括x86/x86_64,ARM,POWER,SPARC,MIPS等,并且可跨指令集收集BBVProfile.结果显示,动态二进制翻译技术在应用程序行为特征分析加速方面具有非常好的效果.

基于动态二进制翻译技术的仿真器研究

以动态二进制仿真器QEMU为平台,分析动态二进制翻译技术在仿真器开发中的应用,研究QEMU的翻译机制、优化策略、关键技术,并对相关重要代码进行解析。对仿真CPU的性能进行测试,结合分阶段的测试结果,从中找出制约仿真CPU性能的关键阶段,为后续的优化工作提供参考依据。

二进制翻译中的库函数处理

在二进制翻译技术中,快速有效地处理系统库函数调用是一个值得研究的课题·基于动静结合二进制翻译技术,提出一种对系统库函数进行分类处理的算法,能够很好地利用动静结合二进制翻译的技术特点和目标机本地的函数调用约定,减少不必要的内存操作,提高源二进制代码在目标机上的执行效率·该算法能够在系统库函数和系统调用之间灵活地切换,并且对于系统库函数有较强的适用性·经过大量的测试验证,在应用该算法后,Digital Bridge Version2系统不仅能够正确有效地处理系统库函数调用,并且性能有了很大的改善·

二进制翻译中的过程恢复技术

目前对处理器速度的追求促使体系结构不断发展,但是软件的支持却不能与其匹配,造成新体系结构推广的困难,研究、解决代码迁移问题的二进制翻译方法应运而生。文中介绍了在开发一个静态二进制翻译系统(XM翻译器)中的过程恢复技术,包括参数恢复和返回值恢复,并提出了解决返回值恢复问题的一个新的实现方法。它回避了一般方法中必须要进行数据流、控制流分析的复杂性,基于x86机器本身的调用特点以及实例的分析,是一种简单实用的实现返回值恢复的方法,经XM系统验证是行之有效的。

二进制翻译中解析多目标分支语句的图匹配方法

二进制翻译技术现已成为实现软件移植的重要手段．在二进制翻译系统中，如何有效地挖掘程序的代码并对其进行高效翻译是影响系统性能的关键，而二进制代码中间接跳转语句的存在，使得静态时难以得到它的跳转目标，影响了代码的发掘率和最终的翻译效果．在通常的应用程序中，间接跳转指令经常用来实现多目标分支语义，分支目标存放在跳转表中．提出了一种解析多目标分支语句及其跳转表的方法，能够挖掘出间接跳转的目标，进而对其进行有效翻译并提高二进制翻译系统的性能．该方法提出使用语义图来对预期语义进行刻画和表达．语义图能够对考察的指令序列进行语义提取，识别出与预期语义相匹配的指令流，还可以应对编译器在不同优化选项下生成的指令，并能有效滤除不相关指令带来的干扰．实验结果表明，对于SPEC CINT2000中的部分测试用例，代码翻译的覆盖率可以提高9．85％～22．13％，相应带来的性能提升可达到8．30％～17．71％，而使用的算法时间复杂度仅为O（1）．

基于龙芯处理器的二进制翻译器优化

二进制翻译是实现系统迁移的主要方法,但基于通用平台的仅靠软件实现的二进制翻译性能不高。该文以龙芯2F处理器为实现平台,提出一种QEMU二进制翻译器并进行优化,其中包括编译环境的优化以及二进制翻译器本身的优化2个方面,对后者的优化主要涉及寄存器直接映射和多媒体指令的改进。实验结果表明,通过寄存器映射优化后,系统能够获得1.45的加速比,通过多媒体优化后,多媒体程序的执行能达到本地机器执行的80%的性能。

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.

二进制翻译中的库函数识别技术研究

体系结构的不断发展给软件开发者带来了巨大的风险,造成了新体系结构推广的困难,而二进制翻译技术使得可执行代码可自动迁移到新的体系结构。介绍了在开发一个静态二进制翻译系统(I2A翻译系统)中的库函数识别技术,并提出了解决库函数识别问题的新的方法。基于IA64体系结构的调用约定及实例分析证明,该方法是一种简单实用的库函数识别方法,经I2A系统验证是有效的。

动态二进制翻译缓存的分区管理机制研究

研究现有的翻译缓存管理方法,针对其维护效率低下的问题,提出一种动态二进制翻译缓存的分区管理机制。该机制将整个翻译缓存划分为N个相等的子区域,从而实现区域与区域内部的2级管理。实验结果表明,该机制保持了翻译块持续较高的命中率,可以避免缓存碎片的产生,并有效提升系统执行效率。

TCG动态二进制翻译技术研究

动态二进制翻译是一种即时编译技术,能在运行时将一种指令集体系结构的二进制代码实时翻译成可在另一种指令集体系结构下运行的代码。针对TCG(Tiny Code Generator)动态二进制翻译技术,首先对其基本原理进行研究,分析它的分层机制和翻译过程;然后对翻译块查询与缓存策略、TCG上下文维护,以及中间表示的分类和属性特点进行研究,并给出目标代码的生成步骤和及其常用的两种优化方式。这两种优化方式均在翻译阶段进行,具有实际的优化价值。

二进制翻译应用级异常处理

二进制翻译可以用于解决遗产代码的迁移问题,也可以实现不同硬件平台之间软件的通用·异常处理是二进制翻译的一个重要方面,如何解决异常处理和二进制翻译效率的矛盾是问题的关键·提出了在库函数包装层面处理主动异常和被动异常的方法,一个算法可以高效处理信号异常,另一个算法使用栈展开技术,得到调用地址用于处理try catch异常·实验结果表明,上述方法能够正确处理异常函数,同时对于普通应用程序加入异常处理机制之后性能并不受影响·

动态二进制翻译与优化技术研究

动态二进制翻译技术是一种即时编译技术,它将针对源体系结构编译生成的二进制代码(源机器码)动态翻译为可以在目的体系结构上运行的代码(翻译码).动态优化技术是指在运行时获取动态信息并进行代码优化的技术.动态二进制翻译及优化系统使得源软件无需重编译就可以直接在目标体系结构上高效地运行.目前几种比较有影响的动态二进制翻译及优化系统有Intel公司的IA-32 Execution Layer,IBM公司的DAISY,Transmeta的CMS及HP的Dynamo等.这些系统对动态二进制翻译系统关键技术有不同的实现.对动态二进制翻译和优化技术的研究是计算机领域的研究热点,具有深远的现实意义和应用前景.