Atualmente, a adição de uma nova função implementada em hardware em um processador não deve impor nenhuma mudança no conjunto de instruções (ISA – Instruction Set Architecture) suportado para atingir melhorias em seu desempenho. O objetivo é manter a compatibilidade retroativa e futura de programas já compilados. Todavia, este fato se torna, muitas vezes, um fator impeditivo para o aprimoramento ou desenvolvimento de uma nova arquitetura. Desta maneira, a utilização de mecanismos de Tradução Binária abre novas oportunidades aos projetistas, já que estes mecanismos permitem a execução de programas já compilados em arquiteturas que suportam conjuntos de instruções diferentes do previsto inicialmente. Assim, para eliminar o custo adicional apresentado por estes sistemas de tradução, será proposto um novo mecanismo de tradução binária dinâmico de dois níveis. Enquanto o primeiro nível é responsável pela tradução de facto das instruções do conjunto nativo para instruções de uma linguagem de máquina intermediária, o segundo nível otimiza estas instruções já traduzidas para serem executadas na arquitetura alvo. O sistema é totalmente flexível, pois pode suportar a tradução de conjuntos de instruções completamente diferentes; assim como a utilização de arquiteturas de hardware com as mais diversas características. Este trabalho apresenta o primeiro esforço nesta direção: um estudo de caso onde ocorre a tradução de código x86 para MIPS (linguagem intermediária), que será otimizado para ser executado em uma arquitetura que realiza reconfiguração dinâmica. Resta demonstrado que é possível manter a compatibilidade binária, com melhoria no desempenho em torno de 45% em média e consumo de energia semelhante ao da execução nativa. / In these days, every new added hardware feature must not change the underlying instruction set architecture (ISA), in order to avoid adaptation or recompilation of existing code. Therefore, Binary Translation (BT) opens new possibilities for designers, previously tied to a specific ISA and all its legacy hardware issues, since it allows the execution of already compiled applications on different architectures. To overcome the BT inherent performance penalty, we propose a new mechanism based on a dynamic two-level binary translation system. While the first level is responsible for the BT de facto to an intermediate machine language, the second level optimizes the already translated instructions to be executed on the target architecture. The system is totally flexible, supporting the porting of radically different ISAs and the employment of different target architectures. This work presents the first effort towards this direction: it translates code implemented in the x86 ISA to MIPS assembly (the intermediate language), which will be optimized by the target architecture: a dynamically reconfigurable architecture. In this work is showed that is possible to maintain binary compatibility with performance improvements on average 45% and similar energy consumption when compared to native execution.

Atualmente, a adição de uma nova função implementada em hardware em um processador não deve impor nenhuma mudança no conjunto de instruções (ISA – Instruction Set Architecture) suportado para atingir melhorias em seu desempenho. O objetivo é manter a compatibilidade retroativa e futura de programas já compilados. Todavia, este fato se torna, muitas vezes, um fator impeditivo para o aprimoramento ou desenvolvimento de uma nova arquitetura. Desta maneira, a utilização de mecanismos de Tradução Binária abre novas oportunidades aos projetistas, já que estes mecanismos permitem a execução de programas já compilados em arquiteturas que suportam conjuntos de instruções diferentes do previsto inicialmente. Assim, para eliminar o custo adicional apresentado por estes sistemas de tradução, será proposto um novo mecanismo de tradução binária dinâmico de dois níveis. Enquanto o primeiro nível é responsável pela tradução de facto das instruções do conjunto nativo para instruções de uma linguagem de máquina intermediária, o segundo nível otimiza estas instruções já traduzidas para serem executadas na arquitetura alvo. O sistema é totalmente flexível, pois pode suportar a tradução de conjuntos de instruções completamente diferentes; assim como a utilização de arquiteturas de hardware com as mais diversas características. Este trabalho apresenta o primeiro esforço nesta direção: um estudo de caso onde ocorre a tradução de código x86 para MIPS (linguagem intermediária), que será otimizado para ser executado em uma arquitetura que realiza reconfiguração dinâmica. Resta demonstrado que é possível manter a compatibilidade binária, com melhoria no desempenho em torno de 45% em média e consumo de energia semelhante ao da execução nativa. / In these days, every new added hardware feature must not change the underlying instruction set architecture (ISA), in order to avoid adaptation or recompilation of existing code. Therefore, Binary Translation (BT) opens new possibilities for designers, previously tied to a specific ISA and all its legacy hardware issues, since it allows the execution of already compiled applications on different architectures. To overcome the BT inherent performance penalty, we propose a new mechanism based on a dynamic two-level binary translation system. While the first level is responsible for the BT de facto to an intermediate machine language, the second level optimizes the already translated instructions to be executed on the target architecture. The system is totally flexible, supporting the porting of radically different ISAs and the employment of different target architectures. This work presents the first effort towards this direction: it translates code implemented in the x86 ISA to MIPS assembly (the intermediate language), which will be optimized by the target architecture: a dynamically reconfigurable architecture. In this work is showed that is possible to maintain binary compatibility with performance improvements on average 45% and similar energy consumption when compared to native execution.

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<div><p>Modern mobile devices have numerous ephemeral tasks. These tasks are driven by background activities, such as push notifications and sensor readings. In order to execute these tasks, the whole platform has to periodically wake up beforehand, and go to sleep afterwards. During this process, the OS kernel operates on power state of various IO devices, which has been identified as the bottleneck for energy efficiency. To this end, we want to offload this kernel phase to a more energy efficient, microcontroller level core, named peripheral core.</p></div><div><p> </p></div><div><p>To execute commodity OS on a peripheral core, existing approaches either require much engineering effort or incur high execution cost. Therefore, we proposed a new OS model called transkernel. By utilizing cross-ISA dynamic binary translation (DBT) technique, transkernel creates a virtualized environment on the peripheral core. It relies on a small set of stable interfaces. It is specialized for frequently executed kernel path. It exploits ISA similarities to reduce DBT overhead.</p></div><div><p> </p></div><div><p>We implement a transkernel model on ARM platform. With novel design and optimization, we demonstrate that a transkernel can gain energy efficiency. Moreover, it provides a new OS design to harness heterogeneous SoCs.</p></div>

Atualmente, pode-se observar que a Lei de Moore vem estagnando. A freqüência de operação já não cresce da mesma forma, e a potência consumida aumenta drasticamente em processadores de propósito geral. Ao mesmo tempo, sistemas embarcados vêm se tornando cada vez mais heterogêneos, caracterizados por uma grande quantidade de modelos computacionais diferentes, sendo executados em um mesmo dispositivo. Desta maneira, como novas tecnologias que irão substituir totalmente ou parcialmente o silício estão surgindo, novas soluções arquiteturais são necessárias. Apesar de sistemas reconfiguráveis já terem demonstrado serem candidatos em potencial para os problemas supracitados, ganhos significativos de desempenho são alcançados apenas em programas que manipulam dados massivamente, não representando a realidade dos sistemas atuais. Ademais, o seu uso em alta escala ainda está limitado à utilização de ferramentas ou compiladores que, claramente, não mantêm a compatibilidade de software e a reutilização do código binário já existente. Baseando-se nestes fatos, a presente tese propõe uma nova técnica para, utilizando um sistema reconfigurável, otimizar tanto programas orientados a dados como aqueles orientados a controle, sem a necessidade de modificação do código fonte ou binário. Para isto, um algoritmo de Tradução Binária, que trabalha em paralelo ao processador, foi desenvolvido. O mecanismo proposto é responsável pela transformação de seqüências de instruções, em tempo de execução, para serem executadas em uma unidade funcional reconfigurável de granularidade grossa, suportando execução especulativa. Desta maneira, é possível aproveitar as vantagens do uso da lógica combinacional para aumentar o desempenho e reduzir o gasto de energia, mantendo a compatibilidade binária em um processo totalmente transparente. Três diferentes estudos de caso foram feitos: os processadores Java e MIPS R3000 – representando o campo de sistemas embarcados – e o conjunto de ferramentas Simplescalar, que simula um processador superescalar baseado no MIPS R10000 – representando o mercado de processadores de propósito geral. / As Moore’s law is losing steam, one already sees the phenomenon of clock frequency reduction caused by the excessive power dissipation in general purpose processors. At the same time, embedded systems are getting more heterogeneous, characterized by a high diversity of computational models coexisting in a single device. Therefore, as innovative technologies that will completely or partially replace silicon are arising, new architectural alternatives are necessary. Although reconfigurable computing has already shown to be a potential solution for such problems, significant speedups are achieved just in very specific dataflow oriented software, not representing the reality of nowadays systems. Moreover, its wide spread use is still withheld by the need of special tools and compilers, which clearly preclude software portability and reuse of legacy code. Based on all these facts, this thesis presents a new technique using reconfigurable systems to optimize both control and dataflow oriented software without the need of any modification in the source or binary codes. For that, a Binary Translation algorithm has been developed, which works in parallel to the processor. The proposed mechanism is responsible for transforming sequences of instructions at runtime to be executed on a dynamic coarse-grain reconfigurable array, supporting speculative execution. This way, it is possible to take advantage of using pure combinational logic to speed up the execution, maintaining full binary compatibility in a totally transparent process. Three different case studies were evaluated: a Java Processor and a MIPS R3000 – representing the embedded systems field – and the Simplescalar Toolset, a widely used toolset that simulates a superscalar architecture based on the MIPS R10000 processor – representing the general-purpose market.

This thesis presents new simulation techniques designed to speed up the simulation of microprocessor systems. The advanced simulation techniques may be applied to the simulator class which employs dynamic binary translation as its underlying technology. This research supports the hypothesis that faster simulation speeds can be realized by translating larger sections of the target program at runtime. The primary motivation for this research was to help facilitate comprehensive design-space exploration and hardware/software co-design of novel processor architectures by reducing the time required to run simulations. Instruction set simulators are used to design and to verify new system architectures, and to develop software in parallel with hardware. However, compromises must often be made when performing these tasks due to time constraints. This is particularly true in the embedded systems domain where there is a short time-to-market. The processing demands placed on simulation platforms are exacerbated further by the need to simulate the increasingly complex, multi-core processors of tomorrow. High speed simulators are therefore essential to reducing the time required to design and test advanced microprocessors, enabling new systems to be released ahead of the competition. Dynamic binary translation based simulators typically translate small sections of the target program at runtime. This research considers the translation of larger units of code in order to increase simulation speed. The new simulation techniques identify large sections of program code suitable for translation after analyzing a profile of the target program’s execution path built-up during simulation. The average instruction level simulation speed for the EEMBC benchmark suite is shown to be at least 63% faster for the new simulation techniques than for basic block dynamic binary translation based simulation and 14.8 times faster than interpretive simulation. The average cycle-approximate simulation speed is shown to be at least 32% faster for the new simulation techniques than for basic block dynamic binary translation based simulation and 8.37 times faster than cycle-accurate interpretive simulation.

Atualmente, pode-se observar que a Lei de Moore vem estagnando. A freqüência de operação já não cresce da mesma forma, e a potência consumida aumenta drasticamente em processadores de propósito geral. Ao mesmo tempo, sistemas embarcados vêm se tornando cada vez mais heterogêneos, caracterizados por uma grande quantidade de modelos computacionais diferentes, sendo executados em um mesmo dispositivo. Desta maneira, como novas tecnologias que irão substituir totalmente ou parcialmente o silício estão surgindo, novas soluções arquiteturais são necessárias. Apesar de sistemas reconfiguráveis já terem demonstrado serem candidatos em potencial para os problemas supracitados, ganhos significativos de desempenho são alcançados apenas em programas que manipulam dados massivamente, não representando a realidade dos sistemas atuais. Ademais, o seu uso em alta escala ainda está limitado à utilização de ferramentas ou compiladores que, claramente, não mantêm a compatibilidade de software e a reutilização do código binário já existente. Baseando-se nestes fatos, a presente tese propõe uma nova técnica para, utilizando um sistema reconfigurável, otimizar tanto programas orientados a dados como aqueles orientados a controle, sem a necessidade de modificação do código fonte ou binário. Para isto, um algoritmo de Tradução Binária, que trabalha em paralelo ao processador, foi desenvolvido. O mecanismo proposto é responsável pela transformação de seqüências de instruções, em tempo de execução, para serem executadas em uma unidade funcional reconfigurável de granularidade grossa, suportando execução especulativa. Desta maneira, é possível aproveitar as vantagens do uso da lógica combinacional para aumentar o desempenho e reduzir o gasto de energia, mantendo a compatibilidade binária em um processo totalmente transparente. Três diferentes estudos de caso foram feitos: os processadores Java e MIPS R3000 – representando o campo de sistemas embarcados – e o conjunto de ferramentas Simplescalar, que simula um processador superescalar baseado no MIPS R10000 – representando o mercado de processadores de propósito geral. / As Moore’s law is losing steam, one already sees the phenomenon of clock frequency reduction caused by the excessive power dissipation in general purpose processors. At the same time, embedded systems are getting more heterogeneous, characterized by a high diversity of computational models coexisting in a single device. Therefore, as innovative technologies that will completely or partially replace silicon are arising, new architectural alternatives are necessary. Although reconfigurable computing has already shown to be a potential solution for such problems, significant speedups are achieved just in very specific dataflow oriented software, not representing the reality of nowadays systems. Moreover, its wide spread use is still withheld by the need of special tools and compilers, which clearly preclude software portability and reuse of legacy code. Based on all these facts, this thesis presents a new technique using reconfigurable systems to optimize both control and dataflow oriented software without the need of any modification in the source or binary codes. For that, a Binary Translation algorithm has been developed, which works in parallel to the processor. The proposed mechanism is responsible for transforming sequences of instructions at runtime to be executed on a dynamic coarse-grain reconfigurable array, supporting speculative execution. This way, it is possible to take advantage of using pure combinational logic to speed up the execution, maintaining full binary compatibility in a totally transparent process. Three different case studies were evaluated: a Java Processor and a MIPS R3000 – representing the embedded systems field – and the Simplescalar Toolset, a widely used toolset that simulates a superscalar architecture based on the MIPS R10000 processor – representing the general-purpose market.

Atualmente, pode-se observar que a Lei de Moore vem estagnando. A freqüência de operação já não cresce da mesma forma, e a potência consumida aumenta drasticamente em processadores de propósito geral. Ao mesmo tempo, sistemas embarcados vêm se tornando cada vez mais heterogêneos, caracterizados por uma grande quantidade de modelos computacionais diferentes, sendo executados em um mesmo dispositivo. Desta maneira, como novas tecnologias que irão substituir totalmente ou parcialmente o silício estão surgindo, novas soluções arquiteturais são necessárias. Apesar de sistemas reconfiguráveis já terem demonstrado serem candidatos em potencial para os problemas supracitados, ganhos significativos de desempenho são alcançados apenas em programas que manipulam dados massivamente, não representando a realidade dos sistemas atuais. Ademais, o seu uso em alta escala ainda está limitado à utilização de ferramentas ou compiladores que, claramente, não mantêm a compatibilidade de software e a reutilização do código binário já existente. Baseando-se nestes fatos, a presente tese propõe uma nova técnica para, utilizando um sistema reconfigurável, otimizar tanto programas orientados a dados como aqueles orientados a controle, sem a necessidade de modificação do código fonte ou binário. Para isto, um algoritmo de Tradução Binária, que trabalha em paralelo ao processador, foi desenvolvido. O mecanismo proposto é responsável pela transformação de seqüências de instruções, em tempo de execução, para serem executadas em uma unidade funcional reconfigurável de granularidade grossa, suportando execução especulativa. Desta maneira, é possível aproveitar as vantagens do uso da lógica combinacional para aumentar o desempenho e reduzir o gasto de energia, mantendo a compatibilidade binária em um processo totalmente transparente. Três diferentes estudos de caso foram feitos: os processadores Java e MIPS R3000 – representando o campo de sistemas embarcados – e o conjunto de ferramentas Simplescalar, que simula um processador superescalar baseado no MIPS R10000 – representando o mercado de processadores de propósito geral. / As Moore’s law is losing steam, one already sees the phenomenon of clock frequency reduction caused by the excessive power dissipation in general purpose processors. At the same time, embedded systems are getting more heterogeneous, characterized by a high diversity of computational models coexisting in a single device. Therefore, as innovative technologies that will completely or partially replace silicon are arising, new architectural alternatives are necessary. Although reconfigurable computing has already shown to be a potential solution for such problems, significant speedups are achieved just in very specific dataflow oriented software, not representing the reality of nowadays systems. Moreover, its wide spread use is still withheld by the need of special tools and compilers, which clearly preclude software portability and reuse of legacy code. Based on all these facts, this thesis presents a new technique using reconfigurable systems to optimize both control and dataflow oriented software without the need of any modification in the source or binary codes. For that, a Binary Translation algorithm has been developed, which works in parallel to the processor. The proposed mechanism is responsible for transforming sequences of instructions at runtime to be executed on a dynamic coarse-grain reconfigurable array, supporting speculative execution. This way, it is possible to take advantage of using pure combinational logic to speed up the execution, maintaining full binary compatibility in a totally transparent process. Three different case studies were evaluated: a Java Processor and a MIPS R3000 – representing the embedded systems field – and the Simplescalar Toolset, a widely used toolset that simulates a superscalar architecture based on the MIPS R10000 processor – representing the general-purpose market.

O mercado de sistemas embarcados tem demandado uma variada gama de aplicações, aplicações estas cada vez mais complexas. Para atender tal demanda, visto o declínio da lei de Moore e os processadores chegando ao seu limite de dissipação térmica, os projetistas são pressionados a desenvolverem novas organizações computacionais. Para manter a compatibilidade binária, de forma que a grande quantidade de aplicativos e ferramentas já desenvolvidas possa ser reutilizada, as empresas desenvolvem seus produtos focando em melhorias de um dado processador que irá executar a mesma ISA (Instruction Set Architecture). Essa necessidade de compatibilidade de código impõe muitas restrições à equipe de projeto, haja vista as limitações impostas pela ISA legada. A Tradução Binária (TB) abre novas possibilidades aos projetistas, visto que permite a execução de códigos previamente compilados para uma determinada arquitetura em outra arquitetura. No entanto, a TB acrescenta mais uma camada entre o código e sua execução, trazendo perdas de desempenho. Este trabalho explora um novo mecanismo de tradução binária dinâmico de dois níveis que, ao trocar o primeiro nível, pode executar ISAs diferentes de forma totalmente transparente e ainda amortiza os custos de tradução. Da mesma forma ao trocar o segundo nível de tradução binária pode-se trocar a arquitetura alvo. Com base nesse tradutor de dois níveis, é apresentado como estudo de caso um sistema computacional composto por uma arquitetura reconfigurável capaz de executar códigos x86, ARM, PowerPC e MIPS de forma transparente, com compatibilidade binária e com ganhos de desempenho. / The embedded systems market is demanding a wide range of applications, and these applications are increasing in complexity. In order to meet this demand, since the decline of Moore’s law and processors reaching their thermal dissipation limits, designers are pushed to develop new computer organizations. In order to support binary compatibility, so that the large quantity of applications and tools already deployed can be reused, companies develop their products focusing on improvement of a given processor that will execute the same ISA (Instruction Set Architecture) as before. This need for code compatibility impose a lot of restrictions to the design team, considering the limitations imposed by the legacy ISA. Binary Translation (BT) open new possibilities for designers, since it allows the execution of a code previously compiled to a specific architecture in another architecture. However, BT adds another layer between code and actual execution, therefore bringing performance penalties. This work explores a dynamic two-level binary translation system that, by changing the first BT level, allows the execution of different ISAs in a transparent fashion and still amortizes translation costs. In the same way, it is possible to switch to another target architecture by only changing the second BT level. Based on this two-level translator this work presents, as a case study, a computational architecture comprising of an dynamic reconfigurable array that can execute x86, ARM, PowerPC and MIPS binary codes in a transparent way, maintaining binary compatibility with performance gains.

Les unités de calculs qui composent les systèmes intégrés numériques d'aujourd'hui sont complexes, hétérogènes, et en nombre toujours croissant.La simulation, largement utilisée tant dans les phases de conception logicielle que matérielle de ces systèmes devient donc un vrai défi.Lors de la simulation du système, la performance est en grande partie édictée par la stratégie de simulation des jeux d'instructions des processeurs.La traduction binaire dynamique (DBT) est une technique qui a fait ses preuves dans ce contexte.Le principe de cette solution est de traduire au fur et à mesure les instructions du programme simulé (la cible), en instructions compréhensibles par la machine exécutant la simulation (l'hôte).C'est une technique rapide, mais la réalisation de simulateurs fondée sur cette technologie reste complexe.Elle est d'une part limitée en terme d'architectures cibles supportées, et d'autre part compliquée dans sa mise en œuvre effective qui requiert de longs et délicats développements.Les travaux menés dans cette thèse s'articulent autour de deux contributions majeures.La première s'attaque au support des architectures cibles de type Very Long Instruction Word (VLIW), en étudiant leurs particularités vis-à-vis de la DBT.Certaines de ces spécificités, tel le parallélisme explicite entre instructions, rendent la traduction vers un processeur hôte scalaire non triviale.La solution que nous proposons apporte des gains en vitesse de simulation d'environ deux ordres de grandeur par rapport à des simulateurs basés sur des techniques d'interprétation.La seconde contribution s'intéresse à la génération automatique de simulateurs basés sur la DBT.À partir d'une description architecturale de la cible et de l'hôte, nous cherchons à produire un simulateur qui soit optimisé pour ce couple.L'optimisation est faite grâce au processus de mise en correspondance des instructions du couple afin de sélectionner la ou les meilleures instructions hôtes pour simuler une instruction cible.Bien qu'expérimental, le générateur réalisé donne des résultats très prometteurs puisqu'il est à même de produire un simulateur pour l'architecture MIPS aux performances comparables à celles d'une implémentation manuelle. / Computing units embedded into modern integrated systems are com-plex, heterogeneous and numerous. Simulation widely used during both software and hardware designof these systems is becoming a real challenge. The simulator performance ismainly driven by the processors instruction set simulation approach, among which Dynamic BinaryTranslation (DBT) is one of the most promising technique. DBT aims at transla-ting on the fly instructions of the simulated processor (the target) into instructions that canbe understood by the computer running the simulation (the host). This technique is fast,but designing a simulator based on it is complex. Indeed, the number of target architecturesis limited, and furthermore, implementing a simulator is a complicated process because oflong and error prone development.This PhD contributes to solve two major issues. The first contribution tackles the problem ofsupporting Very Long Instruction Word (VLIW) architectures as simulation targets,by studying their architecture peculiarities with regards to DBT. Some of these specificities,like explicit instruction parallelism make the translation to scalar hosts nontrivial. Thesolutions we propose bring simulation speed gains of two orders of magnitude compared tointerpreter based simulators. The second contribution addresses the problem of automaticgeneration of DBT based simulators. With both target and host architectural descriptions,we produce a simulator optimised for this pair. This optimisation is done with an instructionsmatching process that finds host instruction candidates to simulate a target instruction.Although being experimental, our generator gives very promising results. It is able toproduce a simulator for the MIPS architecture whose performances are close to a hand writtenimplementation.