ISAMAP：基于动态二进制翻译的指令映射技术解析

### ISAMAP：基于动态二进制翻译的指令映射技术解析 在计算机架构和软件开发领域，实现不同指令集架构（ISA）之间的代码翻译是一个重要的课题。ISAMAP（Instruction Mapping Driven by Dynamic Binary Translation）作为一种动态二进制翻译工具，为解决这一问题提供了有效的解决方案。本文将深入介绍ISAMAP的相关概念、工作原理、系统结构以及运行时管理等关键内容。 #### 1. ISAMAP概述 ISAMAP描述是架构描述语言ArchC的一个子集。ArchC被广泛用于合成处理器模拟器和汇编器，利用它可以描述功能准确和周期准确的处理器模型。ISAMAP需要三个ArchC模型，分别用于源处理器、目标ISA以及描述它们之间的指令映射。通过ArchC，ISAMAP能够轻松捕获处理器指令格式、寄存器、操作数和指令映射信息。 下面是PowerPC和x86 ISA的描述示例： ```plaintext ISA(powerpc) { isa_format XO1 = "%opcd:6 %rt:5 %ra:5 %rb:5 %oe:1 %xos:9 %rc:1"; isa_instr <XO1> add, subf; isa_regbank r:32 = [0..31]; ISA_CTOR(powerpc) { add.set_operands("%reg %reg %reg", rt, ra, rb); add.set_decoder(opcd=31, oe=0, xos=266, rc=0); subf.set_operands("%reg %reg %reg", rt, ra, rb); subf.set_decoder(opcd=31, oe=0, xos=40, rc=0); } } ISA(x86) { isa_format op1b_r32 = "%op1b:8 %mod:2 %regop:3 %rm:3"; isa_instr <op1b_r32> add_r32_r32, mov_r32_r32; isa_reg eax = 0; isa_reg ecx = 1; ... isa_reg edi = 7; ISA_CTOR(x86) { add_r32_r32.set_operands("%reg %reg", rm, regop); add_r32_r32.set_encoder(op1b=0x01, mod=0x3); mov_r32_r32.set_operands("%reg %reg", rm, regop); mov_r32_r32.set_encoder(op1b=0x89, mod=0x3); } } ``` #### 2. ISAMAP模型 ISAMAP使用以下主要字段来描述源/目标ISA以及它们之间的映射，并自动合成源/目标ISA解码器/编码器： - **isa format**：声明指令格式、其字段和位大小。 - **isa instr**：实例化指令并将其分配到各自的格式中。 - **isa reg**：定义处理器寄存器的名称和操作码。 - **isa regbank**：定义寄存器组和组内寄存器的间隔。 - **set operands**：指定指令操作数、其类型以及分配到的字段。操作数类型有reg（寄存器）、addr（地址）和imm（立即数）。 - **set encoder和set decoder**：描述识别指令的字段及其相应的值。 #### 3. 指令映射 源ISA和目标ISA之间的指令映射在第三个描述中进行说明。对于每个源架构指令，其行为会映射到一个或多个目标架构指令。例如，将PowerPC的`add`指令映射到x86指令的示例如下： ```plaintext isa_map_instrs { add %reg %reg %reg; } = { mov_r32_r32 edi $1; add_r32_r32 edi $2; mov_r32_r32 $0 edi; } ``` 这种方法虽然不如某些映射方案那样具有可移植性，但可以生成更快的代码，并为每个源架构指令提供足够的灵活性来实现不同的映射。 #### 4. 系统概述 ISAMAP二进制翻译器的结构与大多数文献中的二进制翻译器类似，主要由翻译模块和运行时模块组成。翻译模块包括解码和解码两个子模块，运行时模块包含代码缓存、块链接器和系统调用映射三个子模块。 ```mermaid graph LR classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px; A(应用二进制代码) --> B(DBT) B --> C(解码):::process B --> D(编码):::process C --> E(翻译器):::process D --> E E --> F(运行时):::process F --> G(块链接器):::process F --> H(代码缓存):::process F --> I(系统调用映射):::process F --> J(操作系统):::process ``` #### 5. 翻译器生成 翻译器生成器接收源、