异构网络环境下软硬件协同设计的动态二进制翻译研究

动态二进制翻译技术是解决异构程序以及系统软件之间交互执行的一个重要研究方向，也是异构网络环境下云计算、跨平台虚拟机等领域中的一个关键技术。但它也是计算过程中的一个性能瓶颈。拟研究基于软硬件协同方法来实现动态翻译的思路是：研究并发现翻译过程中的关键算法和部件，用硬件实现并予以优化；软件部分则完成具有可编程、可配置等工作，支持异构平台（如调用库、平台相关的资源映射等）差异性的适配任务。重点分析翻译过程的性能瓶颈，研究性能优化的高效算法，并解决软硬件之间的协同机制以及处理器体系架构扩展中存在的技术问题。申请人前期已实现了基于PowerPC核的动态翻译协处理器原型系统。本项目将进一步在系统架构设计、关键性能算法、以及软硬件协同方法的优化设计等方面展开更深入的实现及性能评估与优化研究。项目的将对虚拟计算环境、芯片设计以及编译技术产生积极的意义。

本课题基于二进制翻译的虚拟化技术，针对异构网络环境下不同的计算节点上，资源、数据和代码等存在一定的差异性，提出基于动态化和软硬件协同设计方法的研究工作。具体的研究工作和成果主要体现为以下几个方面：.1）构建异构的网络环境：自主设计和开发了具有移动、无线通讯功能的计算节点，并通过半双工无线串口、ZigBee等各类通讯方式构建网络环境；并自主开发了相关的通讯协议；.2）基于FPGA和软硬件协同方式的计算节点：基于FPGA设计和开发了一种由多个“最简单核”构成的计算单元，并设计了基于简单的“硬事件”单元构成的内部互连结.构；设计了一种适用于“多协同、少计算”应用的计算模式，即通过“状态表”填写替代传统基于指令序列的编程模式。.3）动态二进制翻译的优化：针对网络的环境，研究基于虚拟化及动态翻译相关的研究；基于软硬件协同的平台，深入动态二进制翻译的性能优化研究。研究重点包括：字节序、条件代码优化、浮点运算基础功能的实现方法；跳转消除、超级块构建、寄存器分配效率等性能问题的算法；基于网络环境的瘦客户端翻译机制等方面的研究工作；.总体上，课题小组经过多年的研究和开发，1）异构网络环境的构建，及其通讯协议的开发；2）针对特定的网络应用，提出一种基于“状态”描述的编程模式；3）并基于FPGA平台和软硬件协同方法，针对“状态”描述的编程，自主开发了基于多个“最简单核”的计算单元；4）深入开展了动态二进制翻译的各类关键问题的研究。.截至项目结题，课题组已毕业博士生2名、硕士生15人；通过发表论文（27篇）、硕士学位论文（15篇）、专利申请（13份）、软件著作权（4项）的方式，课题组成员曾获得宝钢优秀教师（2010）、全国大学生挑战杯特等奖（2011）（学生、指导教师皆为课题组成员）等荣誉。