计算机工程年月日相关技术当前目标指令集支持 -2, 架构的虚拟机主要有 $ 和 $ 采用指令集解释技术采用指令集翻译技术指令集解释通过取一条源指令对其进行分析并执行需要的操作再取下一条源指令的循环过程完成不同指令集的二进制转换所有工作都是由软件完成二进制翻译试图分摊取

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眺麻
7 years ago
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1 第卷第期计算机工程年月! 体系结构与软件技术文章编号文献标志码中图分类号基于龙芯的 9!)1, 软件二进制移植研究苏煜张涛王金双赵敏解放军理工大学指挥信息系统学院南京摘要由于龙芯采用无内部互锁流水级的微处理器 -2, 指令集且主要支持 * 操作系统但在该平台上的应用软件相对匮乏且很多传统 ')#$ 软件无法在该平台上直接运行针对该问题利用 ' 仿真 ')#$ 系统调用结合用户模式实现 * 指令向 -2, 指令动态翻译的方法将运行在 2')#$ 上的应用软件向龙芯 * 平台二进制移植实验结果表明相比于 $' 方案和全系统仿真方案该方法虚拟,. 运算速率为 $' 方案的倍和全系统仿真方案的倍 24 读写速率为 $ ' 方案的倍和全系统仿真方案的倍运行效率明显提高关键词虚拟机 ' 仿真环境龙芯指令集翻译二进制移植中文引用格式苏煜张涛王金双等基于龙芯的 ')#$ 软件二进制移植研究 & 计算机工程 " 英文引用格式 59% %'% &$%%6$% ')#$+#%% -% %$) $ & " 2','%#)9!)1,)*&1 %'!%0.!%&!),')5)),). 59/ %'/ &$%9 - +%) 2+% $$,.$ + %) % % +,&%#& $ %)$- $$#2 3),) %$ -2, $ $%) % $$* % $$%% $+#% $ $$% $%-% %)%')#$ $+#% % ) %+ $$!$%$$%) $%')#$ $$ %! 7 '%%) $$$)%7)%%$% + * $ $ -2,$ $2%$$+#%!% % + 2')#$% $ * %*%$$$# %$$%$+ %) # $'%) + $$ $$%+,. %% # $) $ $+ $'$%) $ + + $$ $24 %% %# $$$ $+ $'$%) $+ + $$ $ /'0 1)%, %% ' $% $ $ $%$%!% % 4$$ " 概述核心软硬件的自主化对于国家信息安全至关重要而处理器正是计算机系统中最基础的硬件目前龙芯是国产处理器的典型代表它采用无内部互锁流水级的微处理器 - $$# 2 3),) %$ -2, 指令集运行类 * 操作系统由于该平台上应用软件还相对匮乏且 ')#$ 程序无法直接在该平台上运行这对传统应用的移植以及该平台的推广与应用造成一定的影响本文通过对主流开源虚拟机进行分析结合龙芯 -2, 架构特点实现 ' 方案在龙芯平台运行 ')#$ 应用程序以解决 ' 架构分页机制与龙芯平台分页机制不一致的问题基金项目国家部委基金资助项目作者简介苏煜男硕士主研方向为系统软件安全张涛教授博士王金双副教授博士赵敏讲师博士收稿日期 "" 修回日期 ""!"!%%$$

2 计算机工程年月日相关技术当前目标指令集支持 -2, 架构的虚拟机主要有 $ 和 $ 采用指令集解释技术采用指令集翻译技术指令集解释通过取一条源指令对其进行分析并执行需要的操作再取下一条源指令的循环过程完成不同指令集的二进制转换所有工作都是由软件完成二进制翻译试图分摊取指和分析的代价它将源指令块翻译为目标指令块并且将翻译后的代码保存起来以便反复使用相对于解释技术指令集翻译技术具有更高的执行效率分为系统模式和用户模式系统模式模拟整个系统包括,. 和外部设备用户模式仿真,. 和系统调用相比而言采取用户模式提供应用虚拟化环境的轻量级方案能很好地解决全系统模拟带来的性能损失增强了虚拟化系统的可用性 ' 是一个能够在多种依从可移植的操作系统接口上运行 ')#$ 应用的兼容层它将 ')#$,2 调用翻译成为动态的,2 调用免除了系统性能和其他一些行为的内存占用提高 ')#$ 应用的运行效率目前上海交通大学的胡嘉杰等实现了在高级精简指令集机器 )% ) 6) ) $ $ -%6- 环境下 ')#$ 软件的零修改跨平台移植它通过 ' 仿真 ')#$ 系统调用同时借助实现 * 指令集到 6- 指令集的翻译执行并通过实验证明了 6- 平台下基于 ' 模式实现的虚拟化方案拥有更高的效率文献将 ' 直接编译在龙芯平台上完成 ')#$ 系统调用模拟同时利用开源虚拟机 $ 实现一些应用程序指令和 ')#$ 原生动态库的指令集转化本文采用 ' 和作为核心软件实现 ')#$ 应用在龙芯平台上的二进制移植应用程序接口 %,% 2+%,2 时由 ' 提供的动态链接库 (% 3!%( 仿真实现 ')#$ 库和系统调用的模拟由此所有的二进制程序都是基于 * 环境运行最后通过用户模式仿真 * 指令集,. 运用指令集翻译的方式将 * 的可执行代码翻译成 -2, 指令并在龙芯平台上运行同时实现 * 系统调用跨硬件平台转化将 * 架构下 * 系统调用直接转化为 -2, 架构下 * 系统调用减小翻译系统调用产生的性能损耗图.>?9!' 虚拟化系统架构 9!)1, 应用环境仿真模块 ' 实现在相同指令集平台下对 ')#$ 系统库的兼容提供了 ')#$ 程序执行所需的二进制运行环境以达到在类.* 平台上运行 ')#$ 程序的目的 ' 的系统架构如图所示系统设计与实现系统架构在龙芯处理器 * 操作系统上运行基于 * 指令的 ')#$ 应用程序是一个既跨指令集又跨操作系统平台的实现需要进行次模拟执行来完成整体设计方案如图所示系统主要分为个模块即 ' 提供的基于 * 的 ')#$ 应用环境仿真模块和提供的基于 -2, 的 * 指令翻译模块 ')#$ 应用程序通过 ' 加载器加载到内存地址空间同时 ' 提供 '$ 仿真 ')#$ 进程管理模块进行进程间通信同步以及进程和线程的管理当应用程序调用 ')#$ 图 9!' 系统架构

3 第卷第期苏煜张涛王金双等基于龙芯的 ')#$ 软件二进制移植研究为了能够运行上层的 ')#$ 应用程序和库 ' 自实现了个重要的 ( 库.616 /(2 以及 ( 的大部分功能这些动态链接库是 ')#$ 系统内核的主要实现是上层库和应用的基础 '$ 维护一个守护进程实现 ')#$ 句柄管理和进程间通信同步以及进程和线程的管理功能 ' 驱动实现了将 ')#$ 驱动,2 与 * 驱动接口对应连接将其转化为通过 * 驱动接口对设备的调用运行 ( 指令翻译模块分为用户模式和系统模式系统模式仿真一个完整的虚拟硬件平台用户通过在虚拟硬件平台上安装操作系统运行应用程序与之相比由于用户模式不需要模拟外部设备因此会有更高的效率用户模式主要包括,. 模拟和系统调用模拟两部分,. 模拟的,. 模拟通过指令集翻译方式实现其模拟的系统架构叫目标架构运行的系统架构叫主机架构指令集翻译过程如图所示首先将目标架构 * 指令翻译为中间代码 / )/% 再根据主机架构龙芯 -2, 指令平台将中间代码 / 翻译成平台可以执行的 -2, 指令为了提高指令翻译的效率设计翻译后指令缓存结构 %$% 3 缓存翻译后指令当指令被重复执行时可直接通过查找指令对应的结构运行减少指令重复翻译消耗的时间获取的系统调用号确定系统调用类型将所需的系统调用通过 -2, 主机操作系统调用或直接通过编码进行实现总体执行框图如图所示 ')#$ 应用程序通过 ' 模拟器重写 ')#$ 系统调用将 ')#$ 系统调用转化为 * 系统调用再通过用户模式将基于 * 的 * 系统调用转化为基于 -2, 的 * 系统调用以进程创建为例 ')#$ 应用程序通过 ')#$ 句柄提出进程创建请求该请求通过 $ 3 传送到 ' 模拟器服务程序由 ' 根据传过来的句柄进行解释并转化为 * 系统调用 +3 实现模拟,. 捕获 ' 程序的系统调用中断指令根据系统调用号确定进程创建系统调用将进程创建系统调用通过 -2, 主机操作系统调用 +3 实现通过该机制能将大部分的系统调用转化为通过主机系统调用实现避免对系统调用进行指令集翻译而产生性能损耗图基于.> 的用户模式仿真系统调用关键技术图指令集翻译流程对系统调用的模拟用户模式在处理系统调用时不像系统模式需要翻译系统调用处理程序而是通过模拟,. 捕获中断根据中断号解释中断基于 * 的 * 系统调用通过解释中断并根据内存布局龙芯平台采用内核空间 / 加用户空间 / 的内存布局而 * 采用内核空间 / 加用户空间 / 的内存布局根据图分析由于 ' 默认将 ' 加载器布局在 /" / 之间使得龙芯平台对 ' 加载器的布局产生冲突通过修改 ' 代码重新布局 ' 程序和 ')#$ 应用程序以及动态库的加载空间使其用 /" / 内存空间使得内存布局符合龙芯支持布局

4 计算机工程年月日图 ( 架构和龙芯架构的地址空间布局对比页处理单元龙芯处理器支持分页大小最小为 1 默认支持页大小是 1 因此在程序运行过程中会产生页属性错误客户机申请内存失败以及申请的空间没有按要求初始化等问题在内存占用率高的情况下错误会频繁发生从页访问权限管理入手解决上述问题主要有以下个方面对于共享映射根据是否是匿名映射做了不同的策略如果是匿名映射内部对其开始地址和内存申请长度进行控制使其返回 1 对齐地址同时将内存申请长度增大到 1 地址对齐如果为文件映射且有写属性直接返回内存申请失败如果为文件映射且无写属性拷贝此段地址内容到对应地址对于私有映射如果是匿名映射且不指定开始地址的方式利用自身内存管理表进行管理此时页大小为 1 支持 4#4* 权限不支持 $%4% 权限如果是文件映射例如 % 的情况将开始地址和申请内存长度处理后直接传入主机系统申请对个不同属性 1 页在同一个 1 页中这种情况将其属性叠加忽略内存权限改小的操作多线程处理 ' 中的程序通过 %%) 创建新的线程由 '$ 进行线程调度并发起线程的执行新创建的线程从程序入口开始执行线程执行遇到 * 指令需要来模拟执行由于每个线程都要有一个独立的模拟执行部件而且在执行的时机上是物理并发的因此需要创建多个模拟,. 每个模拟,. 用于执行一个线程中的 * 指令根据上述原因通过分配多个的,. 对象产生多个虚拟,. 每个线程拥有一个的,. 所有,. 跟随 ' 的调度并行执行系统评估测试主要从功能和性能两方面进行评估测试环境基于龙芯八核心 /7 处理器 / 内存采用内核版本的 (!% 操作系统功能测试功能测试的目的是检测系统对不同类别软件支持是否完善主要通过测试 ( -0 等开发的简单单线程程序和多线程程序以及复杂的管理信息系统 -%%2+% $-2 程序来评估系统功能的完整性实验基于版本和 ' 版本进行系统设计实验结果如表所示其中表示支持通过实验验证该架构支持多种语言开发的 ')#$ 应用软件对数据库多线程应用支持良好

5 第卷第期苏煜张涛王金双等基于龙芯的 ')#$ 软件二进制移植研究表功能测试实验结果 $,2 是一个单线程基准测试工具它通过利应用程序名称程序描述原运行环境现运行环境安装运行用高斯 " 勒让德算法计算,2 的位数由此比较,. 运算效率实验数据如表所示 %)* ')#$ 系统自带文本编辑工具 ' 4 计算小数点后位数表,$6'% 测试方案运算时间 $' 全系统 ' )* 用编写的蜘蛛纸牌游戏 ' 4 1 $ $ $ 1 $ $ $ 0+** 火狐浏览器 ' 4 82 用于测试文件读写性能实验使用测试文件大小为 / 测试持续时间为 $24 单位请求数据量为 124 线程数为的测试方案测,%* 视频播放软件 ' 4 试结果如表所示表 5 测试方案的 = 读写速率 -$ 测试项目 $' 全系统 ' 0!% * 音频播放软件 ' 4 连续读取连续写入学籍信息管理系统 * 性能测试依赖 % 数据库开发 ' 4 的学员信息管理系统将 ' 与 $' 和全系统模拟环境对比本文采用了 $,2 82 个基准测试工具从虚拟,. 效率和 24 读写效率个方面进行系统性能评估测试实例如表所示表测试实例项目实例实例实例机器平台操作系统龙芯主频 /7 内核版本的 (!% 操作系统龙芯主频 /7 内核版本的 (!% 操作系统系统架构 $' 测试方案测试方案运行 $,2 * 应用测试,. 性能运行 82 测试文件读写性能运行 $,2 * 应用测试,. 性能运行 82 测试文件读写性能龙芯主频 /7 内核版本的 (!% 操作系统全系统客户操作系统为 ')#$, 运行 $,2* 应用测试,. 性能运行 82 测试文件读写性能随机读取随机写入通过比较发现 ' 架构在,. 运算和 24 读写方面拥有更高的效率虚拟,. 速率是 $' 架构的倍是全系统模式的倍 24 读写速率是 $' 架构的倍是全系统模式的倍运用该方案解决自主化平台上的跨平台移植具有更高的实用价值由于系统采用与 ' 低耦合的实现方式提升了平台的兼容性但 ' 本身对 ')#$ 软件支持仍有欠缺后期根据开源社区对 ' 进行同步实时更新完善对所支持应用程序的补充结束语本文结合自主化平台需求采用 ' 轻量级方案有效地解决了 ')#$ 应用软件在自主化平台的零修改移植问题运用应用虚拟化技术通过用户模式实现,. 模拟和系统调用仿真并与 ')#$,2 仿真器 ' 相结合实现应用二进制移植提高了移植应用软件的运行速度下一步将在该方案基础上结合动态信息流追踪和指令随机化技术研究实现一个精确的主动防御系统为自主化软硬件平台提供安全性分析与保障

6 计算机工程年月日参考文献 %# 1, $,%!, % +.* 4* & * &% %) 0 0%$ %),%! (% %$% 44, )$+%+.2 %% $$ %" & %6%-%$ $%,%+$ +$$%), $$$ - $)% %) $ 黄聪会陈静罗樵等面向二进制移植的虚拟化技术 & 计算机应用研究 " 陈乔蒋烈辉董卫宇等基于动态二进制翻译技术的仿真器研究 & 计算机工程 " '.$$/) 4 "" $ 44 #### 4) $4#$")4)* 胡嘉杰蒋乐天 )) 系统中 ' 环境的高性能虚拟 & 计算机应用 " 苏煜张涛靳国杰等基于龙芯的 ')#$ 软件运行环境的设计与实现 & 江苏科技大学学报自然科学版 " %7% $ 6 6 # 53. %.$ +# 53 % 3 '( $/) 4 "" $ 44#### 4) $4#)")4)* 钟柏松 '$ 机制在 * 内核中实现的研究 ( 南昌南昌大学 )$,%3%$ 5% 1%-%3'3 -%36-%30%$) %,%+"% '"$$ (% % %$$,%+ 44, )$+2%%$ +#% $ %) %$$# 53. -,$$ " /-0,0.$ % %$% ( % +0%$%) 0*!-, % 44, )$+ 24-2%%+ %)#%4+#%)$ %) $ $$# 53.-,$ " % &9% %,+% %% +%7% $+')#$,%$6 * % $ 44, )$++ #3 %) 2+% /% " % 82 ($3!$$ %3 4 "" 44###$+ 4"$4)#%) 4)%$%$*& ) 编辑索书志上接第页参考文献 ) - -%%"%$%) 2" % 4 - ')#%,!" $2 李法龙吴刚陈章龙位图在嵌入式系统内存管理中的应用 & 计算机工程与设计 " (%/ %$$+(% - % & %$+ - " -%,%6, %7 +-%$$+ 0% $ & 2- $$&% " 严蔚敏吴伟民数据结构语言版 - 北京清华大学出版社李小群孙玉芳 * 内存管理机制的分析与研究 & 计算机科学 " 曹国钧计算机内存管理及其优化技术 - 成都电子科技大学出版社 / 内存管理深入剖析 - 李谊瑞周克昌译北京电子工业出版社沈勇王志平庞丽萍对伙伴算法内存管理的讨论 & 计算机与数字工程 ", 3% %)#% )) $ - % & 2 %$%$ " $ " 何伟何建中 06 内存管理机制的分析和改进 & 计算机工程 " 姜力波基于 * 内存管理的分析和研究 ( 合肥中国电子科技大学佘广桥李玉涛王江汉嵌入式终端平台内存管理算法比较 & 单片机与嵌入式系统应用 " 侯捷源码剖析 - 武汉华中科技大学出版社陈力军魏永军迮超一种内存管理系统及其分配方法, "" ( '$ +- -%% $ # ) %),+" % & +% " 王铮李志军一个嵌入式系统的自适应动态内存分配方法 & 计算机技术与发展 " 编辑索书志

388 江苏科技大学学报 ( 自然科学版 ) 2014 年还难以克服当前虚拟化技术带来的性能影响. 因此, 文中提出了在龙芯处理器上交叉编译 Wine 软件, 使其提供 Windows 应用软件运行环境的轻量级解决方案, 并通过 Wine 与 Bochs 模拟器相结合实现了 X86 指令集向龙芯

388 江苏科技大学学报 ( 自然科学版 ) 2014 年还难以克服当前虚拟化技术带来的性能影响. 因此, 文中提出了在龙芯处理器上交叉编译 Wine 软件, 使其提供 Windows 应用软件运行环境的轻量级解决方案, 并通过 Wine 与 Bochs 模拟器相结合实现了 X86 指令集向龙芯第 28 卷第 4 期 2014 年 8 月江苏科技大学学报 ( 自然科学版 ) JournalofJiangsuUniversityofScienceand Technology(NaturalScienceEdition) Vol 28 No 4 Aug.2014 doi:10.3969/j.isn.1673-4807.2014.04.016 基于龙芯的 Windows 软件运行环境的设计与实现