系统级仿真性能优化技术研究

论文摘要

考虑到x86处理器在业界的垄断地位及丰富的软件支持,实现x86处理器平台上的软件在Alpha处理器平台上高效透明移植,研究有效的性能优化策略,使得移植的二进制代码执行效率接近或等同于本地机的执行效率,具有重要的现实意义。论文首先分析了动态二进制翻译技术在仿真器开发中的应用,以基于动态二进制翻译技术的全系统仿真器QEMU作为研究平台,详细研究了QEMU的翻译机制、关键技术和相关重要代码;以Alpha处理器作为实现平台,搭建了基于Alpha处理器的x86系统虚拟机,实现了在系统虚拟机中运行基于x86体系结构的应用程序和Linux操作系统,达到了Alpha处理器兼容x86程序的目的。在搭建的系统虚拟机平台中,使用SPEC2000、Tiotest、Netpipe、Stream测试集和相关测试方法,对移植性能进行了测试,通过对测试结果的分析,本文给出影响虚拟机性能的主要因素:一是仿真器自身的系统开销,包括寄存器映射、仿真器翻译机制、虚拟机内存地址映射、间接跳转指令的处理过程和上下文的切换;二是由于体系结构的差异性造成的开销如标志位处理。在测试和分析的基础上,文中给出了一个系统虚拟机性能优化解决方案,并且提出了一种基于信息反馈的间接转移预测方法。

论文目录

• 表目录
• 图目录
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 选题背景
• 1.2 选题目标和意义
• 1.3 国内外研究现状
• 1.4 研究内容
• 1.5 论文整体架构
• 第二章 虚拟机仿真技术概述
• 2.1 二进制翻译
• 2.1.1 动态二进制翻译技术
• 2.1.2 动态二进制翻译系统的基本框架
• 2.1.3 动态二进制翻译技术的应用
• 2.2 虚拟机的相关知识
• 2.2.1 虚拟化接口
• 2.2.2 虚拟机的分类
• 2.2.3 系统虚拟机的实现
• 2.3 系统仿真性能优化技术
• 2.3.1 剖析
• 2.3.2 翻译块优化
• 2.3.3 代码重排列
• 2.3.4 代码内部优化
• 2.3.5 控制转移优化
• 2.3.6 标志位优化
• 2.4 全系统仿真器QEMU 分析
• 2.4.1 QEMU 系统的整体框架
• 2.4.2 全系统仿真器QEMU 中的关键技术
• 2.4.3 全系统仿真器QEMU 的代码构建
• 2.4.4 QEMU 的性能测试
• 2.5 小结
• 第三章 基于Alpha 处理器的x86 系统仿真
• 3.1 基于Alpha 处理器系统虚拟机的架构
• 3.2 x86 指令集程序仿真过程
• 3.2.1 中间机器
• 3.2.2 x86 指令到中间指令的转换
• 3.2.3 中间指令到目标Alpha 指令的转换
• 3.3 QEMU 到Alpha 处理器平台的移植
• 3.3.1 生成目录及文件
• 3.3.2 代码的基本定义
• 3.3.3 初始化相关函数
• 3.3.4 目标代码生成函数
• 3.3.5 编译环境及运行
• 3.4 小结
• 第四章 基于Alpha 处理器的x86 系统虚拟机仿真性能测试与分析
• 4.1 系统虚拟机整体性能测试
• 4.1.1 仿真CPU 的性能测试
• 4.1.2 仿真磁盘I/O 性能测试
• 4.1.3 仿真网络性能测试
• 4.2 相关组件测试
• 4.2.1 代码膨胀率
• 4.2.2 源寄存器的使用情况
• 4.2.3 虚拟机内存访问带宽及延迟
• 4.2.4 虚拟机执行各阶段时间比值
• 4.3 系统虚拟机仿真性能分析
• 4.3.1 虚拟机自身机制对性能的影响
• 4.3.2 体系结构差异对性能的影响
• 4.4 小结
• 第五章 基于Alpha 处理器的x86 系统虚拟机优化方案
• 5.1 采取的优化技术路线
• 5.2 相关理论与技术
• 5.2.1 延迟计算技术
• 5.2.2 程序局部性原理
• 5.3 硬件优化方案
• 5.3.1 寄存器映射优化
• 5.3.2 间接地址跳转优化
• 5.3.3 上下文切换
• 5.3.4 在Alpha 处理器中增加MMU
• 5.4 软件优化方案
• 5.4.1 直接链接优化
• 5.4.2 间接跳转优化
• 5.4.3 标志寄存器优化
• 5.4.4 虚拟结构化快表
• 5.5 小结
• 第六章 基于信息反馈的间接转移预测优化技术
• 6.1 设计思想
• 6.2 实现过程
• 6.2.1 间接转移指令的识别
• 6.2.2 转移目标地址统计
• 6.2.3 转移预测表的建立
• 6.2.4 转移预测表和信息收集表的更新
• 6.3 性能测试
• 6.3.1 阈值的选取
• 6.3.2 优化前后性能测试
• 6.4 小结
• 结束语
• 参考文献
• 作者简历 攻读硕士学位期间完成的主要工作
• 致谢