基于龙芯处理器进程级虚拟机的优化

论文摘要

龙芯处理器是我国自主研发的高性能通用处理器,它兼容MIPS64指令集和一些专用指令,采用先进的结构设计技术,充分开发指令级并行性,已跻身世界先进通用处理器的行列。龙芯处理器基于MIPS架构,而在当今占据大型的服务器主导地位是X86架构,大部分桌面操作系统和应用软件也都基于X86。龙芯处理器为了能够广泛地运行服务器类应用,实现与X86架构的兼容就成为了必要的任务;另外,X86架构的应用程序更加多样化,很多商业的软件都是基于X86架构的,所以龙芯处理器要想更为广泛地运行多样化的应用,也非常需要实现对X86的兼容。目前有很多开源的虚拟机平台,可以实现MIPS到X86平台的异构支持,QEMU动态二进制翻译器就是其中的一种,它有系统级和进程级两种工作模式,并且可以实现多种异构平台的映射。具有依赖平台多样、翻译效率相对较高、开源易移植等优点,因此选择QEMU作为二进制翻译的主要媒介,实现龙芯处理器的进程级虚拟机,以达到龙芯处理器兼容X86应用程序的目的。由于二进制翻译器是纯软件的翻译,程序的运行速度成为了关键的问题。龙芯处理器要支持虚拟机,仅依靠软件的实现难以满足人们的需求,对虚拟机加速也就成为了首要的问题。龙芯三号处理器的设计规范已经添加了相应的硬件支持以实现对虚拟机的性能需求,但除此之外软件方面的优化作用也不可忽视。本文正是通过对QEMU虚拟机的改造和添加,达到了优化和加速的目的。改造和优化主要包括寄存器处理优化、非对齐访存指令优化和多媒体指令优化三方面。在龙芯2F处理器和龙芯3号单核FPGA平台上,使用SPEC2000进行测试,测试结果表明,最终获得了整点性能提高19.94%,浮点性能提高53.44%的效果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 引言
• 1.1 虚拟机分类
• 1.1.1 进程级虚拟机
• 1.1.2 系统级虚拟机
• 1.2 国内外的相关工作
• 1.3 龙芯虚拟机的研究意义
• 1.4 本文的工作
• 1.5 本文的组织
• 第2章 QEMU系统架构简介
• 2.1 QEMU模拟器概述
• 2.2 QEMU模拟器的翻译过程
• 2.3 QEMU模拟器运行过程中的问题
• 第3章 龙芯处理器支持虚拟机的性能分析
• 3.1 寄存器映射
• 3.1.1 通用寄存映射
• 3.1.2 浮点寄存器映射
• 3.2 非对齐访存
• 3.3 多媒体指令的翻译
• 第4章 龙芯处理器加速二进制翻译的硬件支持
• 4.1 X86浮点寄存器环境的支持
• 4.2 多媒体指令的支持
• 4.3 非对齐访存的支持
• 第5章 基于龙芯处理器二进制翻译的优化
• 5.1 QEMU到龙芯的移植
• 5.2 寄存器映射优化
• 5.2.1 通用寄存器映射优化
• 5.2.2 浮点寄存器映射优化
• 5.3 非对齐访存优化
• 5.4 多媒体指令处理的优化
• 第6章 优化后性能评测与分析
• 6.1 测试集介绍
• 6.2 寄存器优化的性能评测与分析
• 6.2.1 通用寄存器映射优化
• 6.2.2 浮点寄存器映射优化
• 6.3 非对齐访存优化的性能评测与分析
• 6.4 多媒体指令处理的优化的性能评测与分析
• 6.5 综合性能测试与分析
• 6.6 小结
• 第7章 结束语
• 7.1 本文工作总结
• 7.2 进一步的工作
• 参考文献
• 致谢