面向动态二进制翻译的动态优化和微处理器体系结构支撑技术研究

论文题目: 面向动态二进制翻译的动态优化和微处理器体系结构支撑技术研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 计算机科学与技术

作者: 唐遇星

导师: 周兴铭

关键词: 二进制代码兼容,微处理器,体系结构,二进制翻译,动态优化,热点识别,指令级并行,虚拟机

文献来源: 国防科学技术大学

发表年度: 2005

论文摘要: 经过三十多年的发展，微处理器已经进入到社会生产和日常生活的各个领域，并取得了巨大的成功。微处理器产业的成熟，也使得大部分市场应用和软件投资集中到具有垄断性地位的几种体系结构上。为满足永无止境的性能需求，必须不断推出更新、更快、更有效的处理器。但是为了保护原有的大量投资和研究成果，新处理器往往需要保证对原有结构和应用的二进制兼容性。如今，二进制代码兼容已经成为微处理器是否能在市场上存活的关键问题，也成为新体系结构技术应用的障碍。 动态二进制翻译和优化与微体系结构设计相结合，为微处理器性能继续提升，采用创新的体系结构技术提供了新的思路和方法。将与兼容性相关的复杂逻辑交给动态二进制翻译软件，可以使底层硬件更加简洁并能极大的扩展设计空间。动态优化还可以利用程序运行时特有的优化机会，进一步提高性能。这种处理器设计模式可以降低对制造工艺的要求，并通过采用创新设计避开处理器硬件设计中的众多专利障碍，特别适合我国国情。 本文针对动态二进制翻译处理器中的动态优化技术和微处理器体系结构支撑技术展开深入研究。基于可扩展的处理器模型，提出了低开销的快速热点识别技术；系统分析并研究了动态优化的特性，提出了新的优化方法；并根据开销和性能分析提出了动态多级优化框架，掌握了以动态二进制翻译和动态优化为基础进行微处理器设计的关键技术。主要的工作与创新点包括： 1．全面深入地研究了国际上动态二进制翻译和动态优化技术的研究现状与热点方向。特别针对几个对二进制翻译处理器研究有重要影响的研究项目，总结并分析了它们的特点与不足。 2．结合我国发展处理器产业的实际情况，提出基于动态二进制翻译的可扩展体系结构框架Transtar-VISA。以一个全新基于VLIW结构的Transtar-Core为例，展示部分体系结构迁移，从IA-32迁移到新体系结构，以及同时支持多个ISA平台时Transtar-VISA的有效性和可扩展性。 3．深入研究了动态二进制翻译和优化中热点代码发掘问题，提出了适合翻译和优化使用，基于硬件实现的profiling方案-CSP。CSP不会影响用户程序的执行效率，以适当的硬件开销获得了非常精确的热点路径信息。CSP还可以根据翻译和优化的需要调整对执行路径的监测。 4．深入讨论了动态优化的执行环境、调度单位和优化时机等内容，并分析了常用的优化方法。针对硬件难以预测的分支指令，提出了新的动态隐式断言执行优化技术RIMP。 5．为了平衡优化的开销和性能收益，在分析论证的基础上给出了多级优化调度框架FMO。分析了多级动态优化算法下各个阈值的控制原理，并指出了有效优化的关

论文目录:

摘要

Abstract

第一章 绪论

§1.1 研究背景及目标

1.1.1 微处理器体系结构研究的机遇和挑战

1.1.2 二进制翻译解决方案

§1.2 我国微处理器产业发展面临的问题

1.2.1 我国处理器应用中的特有问题

1.2.2 本国自主知识产权的必要性

1.2.3 与先进国家的差距

1.2.4 产业发展的问题

1.2.5 动态二进制翻译的优势

§1.3 我们的研究目标

1.3.1 研究内容

1.3.2 技术路线

§1.4 本文的工作

§1.5 本文的结构

第二章 相关研究现状

§2.1 引言

§2.2 早期二进制翻译研究

2.2.1 EMMY／360

2.2.2 FX!32静态翻译器

§2.3 二进制翻译与处理器设计

2.3.1 Transmeta Crusoe处理器

2.3.2 IBM BOA项目

2.3.3 Intel IA32-EL技术

§2.4 动态优化

2.4.1 动态软件优化Dynamo

2.4.2 rePLay优化框架

§2.5 虚拟机技术

2.5.1 Java虚拟机和JIT技术

2.5.2 其它虚拟机

§2.6 小结

第三章 基于动态二进制翻译的可扩展体系结构

§3.1 动态二进制翻译与处理器体系结构迁移

3.1.1 目前系统中存在的问题

§3.2 Transtar-VISA体系结构模型

3.2.1 Transtar-VISA结构概述

3.2.2 Transtar-VISA的关键部件

3.2.3 硬件执行核心Transtar-Core

§3.3 Transtar-VISA的应用

3.3.1 Transtar-VISA扩展现有体系结构

3.3.2 Transtar-VISA的虚拟机加速结构

3.3.3 Transtar-VISA的虚拟阵列结构

§3.4 小结

第四章 识别热点代码的硬件Profiler

§4.1 Profile技术

4.1.1 Profile简介

4.1.2 静态和动态Profile

4.1.3 软硬件Profiler

§4.2 CSP的结构

4.2.1 基于优化需求的CSP路径检测

4.2.2 CSP的路径表示与存储

4.2.3 CSP在翻译优化系统中的应用

§4.3 CSP的性能

4.3.1 测试方法

4.3.2 CSP的性能测试数据

4.3.3 CSP运行开销

§4.4 小结

第五章 二进制翻译中的动态优化方法

§5.1 引言

5.1.1 动态优化必要性

5.1.2 动态优化与静态优化的区别

§5.2 动态优化算法

5.2.1 动态优化的使用环境

5.2.2 动态优化的调度单位

5.2.3 多平台特性的动态优化方法设计

5.2.4 动态二进制翻译中的优化机会

5.2.5 可移植使用的静态方法

5.2.6 依靠profiling的动态方法

§5.3 动态优化算法举例RIMP

5.3.1 Predication的原理

5.3.2 已有的Predication使用方式

5.3.3 RIMP与底层处理器模型

5.3.4 RIMP的指令调度和依赖性检查

5.3.5 RIMP Region的管理

5.3.6 RIMP的性能和模拟测试

§5.4 小结

第六章 可变阈值驱动的多级动态优化框架

§6.1 前言

§6.2 动态优化的性能和开销分析

6.2.1 分级优化的必要性

6.2.2 多级热点的识别机制

6.2.3 基于优化开销和潜在性能的优化分级

6.2.4 开销估计

6.2.5 Region的增长与降级

§6.3 多级优化的性能模拟

§6.4 小结

第七章 动态翻译和优化的硬件支持

§7.1 软件翻译优化与硬件支持

7.1.1 对正确性的影响

7.1.2 对性能的影响

§7.2 基本的翻译硬件支持

7.2.1 处理器模式：解释执行和翻译执行

7.2.2 源-目标体系结构指令入口地址映射

7.2.3 源-目标执行现场映射与恢复

7.2.4 连续提交地址检测缓冲

7.2.5 可撤销写缓冲

7.2.6 翻译后目标代码缓存维护

7.2.7 自修改代码检测

§7.3 性能优化的硬件支持

7.3.1 解释执行的microcode实现

7.3.2 硬件profiler

7.3.3 特殊源结构部件的直接实现

7.3.4 为优化添加特别的支持指令

§7.4 并行翻译优化模型

7.4.1 动态二进制翻译优化中的并行线程

7.4.2 Transtar-Para并行翻译优化模型

7.4.3 性能分析与模拟验证

§7.5 小节

第八章 模拟环境与原型系统的设计实现

§8.1 硬件Profiler模拟验证环境sim-profile

§8.2 动态优化算法模拟验证环境sim-do

§8.3 用户级代码翻译系统

8.3.1 总体结构

8.3.2 与OS的接口

8.3.3 代码翻译过程

8.3.4 目标结构模拟器设计

§8.4 整系统并行翻译系统

8.4.1 总体结构

8.4.2 系统级问题

§8.5 小结

第九章 结束语

§9.1 所作的工作与创新

§9.2 未来的研究方向

致谢

论文发表情况

参考文献

附录A 名词对照表

发布时间: 2006-09-22

参考文献

• [1].相连多寄存器组体系结构上的寄存器分配技术[D]. 张军超.中国科学院研究生院（计算技术研究所）2005
• [2].流体系结构关键技术研究[D]. 文梅.国防科学技术大学2006
• [3].低功耗技术研究—体系结构和编译优化[D]. 易会战.国防科学技术大学2006
• [4].超深亚微米微处理器漏流功耗的体系结构级优化技术研究[D]. 张承义.国防科学技术大学2006
• [5].基三体系结构中并行运算的关键机制研究[D]. 李嘉欣.北京理工大学2010
• [6].高效能流体系结构关键技术研究[D]. 伍楠.国防科学技术大学2008
• [7].面向多核体系结构的并行优化关键技术研究[D]. 刘聪.国防科学技术大学2014
• [8].流体系结构指令管理及系统虚拟化仿真技术研究[D]. 何义.国防科学技术大学2010
• [9].面向异构体系结构的稀疏矩阵算法研究[D]. 邹丹.国防科学技术大学2013
• [10].片上高性能嵌入式计算—面向软基带的应用并行处理模型及体系结构[D]. 张波涛.国防科学技术大学2011

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• [2].32位RISC微处理器设计研究[D]. 夏军.华中科技大学2004
• [3].面向微处理器设计的动态二进制翻译技术研究[D]. 曹宏嘉.国防科学技术大学2005
• [4].高性能嵌入式RISC微处理器核设计研究[D]. 姚英彪.浙江大学2006
• [5].嵌入式流媒体处理器体系结构技术研究[D]. 黎铁军.国防科学技术大学2005
• [6].单芯片多处理器关键技术的研究与实现[D]. 鲁建壮.国防科学技术大学2005
• [7].动态二进制翻译优化研究[D]. 唐锋.中国科学院研究生院（计算技术研究所）2006
• [8].二进制翻译关键技术研究[D]. 马湘宁.中国科学院研究生院（计算技术研究所）2004
• [9].微处理器性能分析与优化[D]. 张福新.中国科学院研究生院（计算技术研究所）2005
• [10].动态翻译和优化若干关键技术研究[D]. 李剑慧.复旦大学2006

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