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。

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.

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%。

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。

基于动态二进制分析的网络协议逆向解析

研究未知网络协议逆向解析技术在网络安全应用中具有重要的意义。基于此,介绍网络协议逆向解析技术的发展现状,分析基于网络轨迹和基于数据流的2种主要解析方法,提出一种基于动态二进制分析技术的逆向解析方法,并选取DynamoRIO平台作为支撑,实现对数据流信息的记录和分析,从而解析出单条协议消息中主要的协议域。

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。

优化动态二进制翻译器DigitalBridge

讨论动态二进制翻译器DigitalBridge的动态优化设计与实现,给出了基于edge profile的热路径选择算法FHFS,在热路径上实施了基于模式匹配的指令组合优化翻译和标志位延迟计算的优化。实验结果表明,优化后动态翻译的性能平均提高40%。

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。

动态二进制翻译中的代码Cache管理策略

就代码cache的管理提出了CPB(cache-piece-block)策略,它具有全清空、FIFO和LRU策略的优点,并且考虑到程序的时间空间局部性和cache替换开销,从而实现了对代码cache的高效管理。

动态二进制翻译的多线程并行优化研究

为了充分利用多核CPU来实现动态二进制翻译的并行化,研究了用多线程将翻译阶段和执行阶段并行优化的方法,提供了并行化系统的程序流程。并根据翻译与执行的时序及相关性,设计实现了一种超前翻译算法,它能够有效预测程序的执行路径,为翻译过程提供导向作用。实验结果表明,该优化方法提高了翻译缓存中基本块的命中率,使执行阶段尽量不被中断,进而提升了执行效率。

基于动态二进制的改进型树型搜索算法

RFID技术作为物联网应用的核心关键技术,已经普及到日常生产和生活的各个领域,然而如何提高RFID系统的防冲突能力,减少总识别时间已成为当前急需解决的关键问题.为此,提出了一个基于动态二进制的改进型树型搜索算法.该算法通过简化阅读器发送的指令和冲突检测过程,并利用栈来保存已经被阅读器接收到的标签EPC数据,以便最大化地降低阅读器与标签之间的通信量,从而有效地提高标签的识别速度.仿真结果表明,相比于常规的确定性标签防冲突算法,该算法显著提高了性能,尤其在待识别标签数量较大的情况下,具有良好的应用前景.

基于动态二进制平台的缓冲区溢出过程分析

提出一种基于动态二进制平台的缓冲区溢出过程分析方法,并实现基于该方法的原型系统。分析缓冲区溢出攻击方法的特点,给出基于异常捕获、控制流分析和内存状态检查的溢出检测方法。通过对内存读写指令、控制转移指令进行监控,获得函数调用序列和数据传递关系,定位导致缓冲区溢出的代码。实验结果表明,该系统能有效检测缓冲区溢出,准确定位导致溢出的代码位置。

动态二进制翻译中基本块重叠冗余的优化

动态二进制翻译技术通常采用基本块作为翻译和执行的基本单元，动态翻译中的基本块在划分过程中存在重叠冗余的情况，即当前翻译的基本块可能是一个已经过翻译的基本块子集，或者包含一个已翻译的基本块，这增加了翻译开销。该文从优化动态二进制翻译角度出发，检测、消除由基本块重叠冗余带来的开销。实验表明，在动态二进制翻译过程中存在5％左右的基本块重叠率，通过消除这些冗余可以将翻译和执行的性能提高1％～4％。

一种动态二进制翻译中间接分支目标地址查找算法

如何提高性能是动态二进制翻译中的核心研究问题.动态二进制翻译技术以分支指令结尾的基本块是翻译和执行的基本单元,基本块之间的跳转关系由分支指令确定.间接分支的目标地址在运行时才能确定,优化比较困难.已有工作表明间接分支目标地址的处理是影响动态二进制翻译系统性能的重要因素.经过我们的实验分析表明间接分支的目标地址分布具有较好的局部性,在此基础上提出一个带私有缓存的间接分支目标的查找算法,利用私有缓存对间接分支的目标地址进行预测,分支目标良好的局部性带来了高的预测成功率,从而减少了上下文切换的次数,并且使得X86体系结构下SPEC CPU2000 INT测试集程序在龙芯平台上翻译执行时间平均减少了10%-20%.

动态二进制翻译中的跳转优化技术

作者介绍了正在研究的动态二进制翻译系统中使用的跳转优化的技术,分别是直接跳转优化和间接跳转优化.实验结果证明,由于直接跳转优化回避了一般二进制翻译系统中每个基本块之间必要的切换判断,因而取得了明显的性能提高.

一个用户级动态二进制翻译系统的设计与实现

本文介绍了一个x86Linux系统下动态二进制翻译系统的设计与实现,该系统将IA 32用户级整数代码翻译到一个RISC指令集并由模拟器执行目标代码;详细描述了该系统的总体组成、目标结构模拟器、代码翻译过程以及翻译过的代码的执行。

多种动态二进制代码插入框架的研究与分析

随着软件系统功能的日益强大,软件编写的代码量呈指数趋势增长,程序错误控制和程序性能优化变得越来越困难。为了在代码量增加的情况下,有效控制程序质量,改进程序性能,程序员大多采用动态二进制分析工具进行程序分析。动态二进制代码插入框架有效地简化了动态二进制工具的构建,因此准确掌握每种动态二进制代码插入框架的特征,成为准确构建不同工具的前提。本文通过对常用的五种二进制代码插入框架进行深入研究分析,总结归纳了每种框架的特点和特定情况下的适用性,为在工具构建过程中进行框架的准确有效选择提供了参考。

动态二进制翻译中的冗余LOAD删除优化技术

动态二进制翻译系统是根据程序的动态执行信息来将源机器上的可执行代码翻译成目标机器上的可执行代码。在翻译成中间表示的过程中会产生一些冗余的LOAD指令,为提高代码的执行效率,提出对这些LOAD指令进行冗余删除优化。该优化技术可以使优化效果超过其自身的开销,达到优化的目的。

基于广度优先动态二进制的RFID抗碰撞的搜索算法

射频识别技术(RFID)在超高频段的应用将成为物流商业开发的主流,对于排除阅读器识别多个电子标签发回信号的电磁波干扰,实现快速、准确地信息识别,抗碰撞的搜索算法是最为关键的因素。研究了基于广度优先动态二进制搜索算法,并进一步提出优化方案,从技术上切实提高了射频识别系统的效率。

基于热例程的动态二进制翻译优化

依据对系统级程序行为特性的观察,提出了一种基于热例程的动态二进制翻译优化方法。该方法以频繁执行的例程作为优化单位,通过块内和块间优化算法消除动态二进制翻译引入的冗余。相比基于踪迹的优化方法,该方法具有优化单位发现开销更小、代码区域更大、无重复翻译等优点,更适用于系统虚拟机中操作系统代码的优化。在跨平台系统虚拟机监控器ARCH-BRIDGE上的测试表明,通过对内核代码实施该优化方法,SPEC CPUINT 2006程序的效率提升了3.5%~14.4%,相比基于踪迹的优化,性能最大提升了5.1%。