虚拟机的软硬件协同设计方法研究

论文摘要

指令集体系结构是软硬件之间的接口,这个接口使软件依赖于底层的硬件实现,这种依赖使软件不能在异构平台上迁移,不能一次编译、到处运行,影响了软件的互操作性和移植性,也使硬件设计者不能轻易改变软硬件的接口-ISA,影响了体系结构的创新。本文使用软硬件协同设计的虚拟机来减轻软硬件接口的相关性,基于二进制翻译技术,可以实现一个异构平台的虚拟机,即在源平台上构造一个能够模拟目标硬件平台的仿真器。目前,动态二进制翻译技术已从解决不同系统兼容问题的补充技术,转变为新系统设计的核心技术。但从易调试性和灵活性方面考虑,大多数动态二进制翻译系统仍然是基于软件实现的。本课题基于自主开发的进程级虚拟机CrossBit,采用软硬件协同设计方法,使二进制翻译系统达到更好的性能、复杂性、透明性的均衡。本文分析了动态二进制翻译的结构和性能瓶颈,并建立了性能的数学表示模型。根据量化分析,提出了软硬件划分,用硬件加快二进制翻译中的经常性事件,在原有PowerPC处理器上,采用FPGA实现了虚拟机协处理器（包括二进制翻译器以及TCache等部件单元）,使单个处理器支持多指令集。同时,通过软件和硬件的紧密耦合,有效的解决了新增的硬件和原有处理器间的同步和通信问题,避免了Context Switch的开销。通过对软硬件协同设计的虚拟机的系统性的分析和实验结果的评测,本文得出如下结论:1)在硬件的支持下,上下文切换得到消除,TCache查询时间减少为几条指令的开销,翻译时间大为缩短,对系统的实时性、启动时间等有重要提高。2) TCache的低Miss率和翻译单元的空闲可以使协处理器能够为多个进程或者多个核提供翻译服务,或者在翻译单元的空闲状态关掉协处理器或者降低协处理器的频率和电压以降低功耗。3)鉴于国外公司对于传统处理器指令集的专利权限制,自主研发的新型处理器缺少应用软件的支持,本课题的研究成果也为新型处理器兼容传统指令集提供了一种新的理论和方法。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 虚拟机
• 1.1.2 二进制翻译
• 1.2 研究目标
• 1.3 论文结构
• 第二章 动态二进制翻译系统 CROSSBIT
• 2.1 动态二进制翻译技术的应用与发展
• 2.2 CROSSBIT 的系统架构
• 2.2.1 可重定向性和可扩展性
• 2.2.2 系统架构
• 2.3 本章小结
• 第三章 软硬件协同设计的动态二进制翻译系统
• 3.1 软硬件协同设计简介
• 3.2 CROSSBIT 的性能分析
• 3.2.1 系统开销
• 3.2.2 系统开销数学表示:
• 3.2.3 软硬件划分
• 3.3 CODESIGNED CROSSBIT 软硬件划分
• 3.4 动态二进制翻译系统 CODESIN 相关研究
• 3.5 TRANSMETA 公司的 CRUSOE
• 3.6 威斯康星大学的软硬件协同设计的虚拟机研究
• 3.7 本章小结
• 第四章 软硬件协同设计的二进制翻译系统设计与实现
• 4.1 设计目标
• 4.2 系统结构
• 4.3 软件设计与实现
• 4.3.1 加载器
• 4.3.2 执行引擎和上下文切换的消除
• 4.3.3 大小端问题的解决:
• 4.3.4 Linux2.6 内核和虚拟机 IP 核驱动程序
• 4.4 硬件设计
• 4.4.1 动态二进制翻译单元
• 4.4.2 TCache 管理单元
• 4.5 本章小结
• 第五章 软硬件协同设计的二进制翻译系统性能评测
• 5.1 评测范畴
• 5.2 硬件探测器
• 5.3 评测结果
• 5.3.1 Lookup 时间、翻译时间和纯软件的对比
• 5.3.2 TCache 命中和 TCache Miss 情况下的基本块执行时间
• 5.3.3 native execution 时间对比
• 5.3.4 TCache 缺失率对软硬件协同设计的架构影响
• 5.4 性能分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论
• 6.1 全文总结
• 6.2 未来的工作
• 参考文献
• 致谢
• 参与课题及已发论文