MIPS安卓平台上ARM二进制翻译系统

高技术通讯

2021

年第

31

卷

第

1

期

：

31-39

doi

：

10.

3772/j.

issn.

1002-0470.

2021.01.004

MIPS

安卓平台上

ARM

二进制翻译系统①

赵保华②

……

杯

安宁饪③*

…

**

徐哲冲

**

杜安利

**

苏

涛

“

「

北京工业大学信息学部北京

100124)

("全球能源互联网研究院有限公司北京

102209)

(

”

"电力系统人工智能(联研院)国家电网公司联合实验室北京

102209)

(**

“龙芯中科技术有限公司

北京

100095)

摘

要

无内部互锁流水级的微处理器

(

MIPS)

是重要的处理器架构

，

安卓是目前主流的

移动终端操作系统

。

在

MIPS

架构处理器上运行安卓操作系统可以有效拓展使用领域

，

但存在的问题是调用高级精简指令集处理器

(

ARM)

架构本地库的安卓应用程序不能运

行

，

即存在应用不兼容问题

。

本文提出了

一种动态库跨平台二进制兼容模型

，

以及通用的

跨平台二进制翻译系统的架构

，

并在

MIPS

安卓平台上设计实现了

ARM

二进制翻译系

统

。

该系统能够进行

ARM

动态库的跨平台加载

，

并采用动态二进制翻译

，

将

ARM

动态

库中的二进制指令翻译成为

MIPS

架构的二进制指令

，

从而能够在

MIPS

架构处理器上执

行

。

实验结果表明

，

该系统可以运行调用

ARM

本地库的安卓应用程序

，解决了

MIPS

平台

安卓应用的兼容性问题

。

本文工作对跨平台二进制翻译系统的研究具有重要参考价值

。

关键词

二进制翻译

；

无内部互锁流水级的微处理器

(

MIPS)

；

高级精简指令集处理器

(

ARM

)

；

Android

0

引言

无内部互锁流水级的微处理器

(

microprocessor

without

interlocked

piped

stages

,

MIPS

)

架构是

1981

目前安卓

(Android)

操作系统是移动终端上的

主流操作系统

。

安卓应用是采用谷歌公司的软件开

发工具包安卓

SDK

(

standard

development

kit

)

和

NDK

(

native

development

kit

)

开发的⑷

。

仅使用

年由斯坦福大学开发的简洁

、

具有高度可拓展性的

SDK

开发的应用可以凭借

Java

语言的通用性在所

精简指令集计算机

(

reduced

instruction

set

computer

,

RISC)

架构,

MIPS

公司的

R

系列处理器就是在这个

有安卓虚拟机支持的架构

(

目前包括

ARM.X86

和

MIPS)

上正常运行

。

然而使用

NDK

开发的安卓应

架构的基础上研制岀来的微处理器

。

MIPS

架构处

用会在程序包中生成动态共享库文件

，

这种文件包

含有与相应体系结构相对应的机器代码片段

，

由安

理器被广泛应用于游戏机

、

机顶盒

、

网络路由器

，

以

及其他嵌入式设备和通设备中

。

我国自主研制的龙

芯

CPU

基于开放授权的

MIPS

架构

,

并在此基础

上扩展形成了自己的指令架构

。

目前

，

龙芯

CPU

已

经广泛地应用于办公

、

卫星导航

、

信息安全等关键领

卓虚拟机通过

Java

本地接口

JNI

(

Java

native

inter-

face)

调用⑸

，

只能在相应架构的硬件设备上运行

。

由于采用高级精简指令集处理器

(

advanced

RISC

machine,

ARM)

架构处理器在移动设备市场上垄断

域

。

性的地位

，

大部分采用

NDK

开发的应用只支持

国家自然科学基金

(61521092)

和国家电网有限公司总部科技(

SGGR0000JSJS1

8002031)

资助项目

。

男，

1984

年生

，

博士生;研究方向

：

计算机科学与技术

;

E-mail

；

*****************

通信作者

，

E-mail

：

anningyu@

geiri.

sgcc.

com.

cn

(收稿日期

：

2019-12-ll)

—

31

高技术通讯

2021

年

1

月第

31

卷第

1

期

ARM

架构,导致了兼容性问题

。

迟技术

，

然后在下一阶段收集程序运行的信息

。

根

二进制翻译是解决不同指令系统兼容的重要技

据这一信息对前一阶段生成的代码进行在热路径的

术

3

］

。

二进制翻译技术通过在宿主机上用软件模

拟出一个目标机指令系统兼容的

CPU,

从而在宿主

优化,这个优化主要是在热路径上进行

。

这样系统

可以首先迅速生成执行效率比较差的代码

。

在实际

机上执行客户机的二进制代码

，

达到兼容的目的

。

如在

MIPS

计算机上模拟

ARM

指令系统

，

从而实现

ARM

兼容

。

但是二进制翻译存在较严重的效率问

的优化过程中

，

要针对标志位计算进行优化,采用两

种方式

,

针对基于模式的指令组合翻译优化和针对

延迟标志位计算的优化

。

DigitalBridge

虽然使用两

种模式处理指令流

，

但仍需对只执行一次的代码生

题,用软件模拟的

CPU

比硬件直接实现的

CPU

慢

很多

。

如在

MIPS

计算机上使用二进制翻译的方法

成基本块

，

生成基本块的操作开销比解释执行

运行

ARM

程序

，

比起把该程序直接从源代码编译

成

MIPS

指令并在

MIPS

计算机上执行

，

运行速度一

般有数量级的差异

。

本文针对安卓应用程序在

MIPS

平台上不兼容

的原因

，

设计了二进制翻译系统来解决安卓应用程

序在

MIPS

平台上的不兼容问题

。

设计的二进制翻

译系统实现了动态库的跨平台加载

，

并采用动态二

进制翻译技术

，

将

ARM

动态库中的二进制指令翻

译成为

MIPS

架构的二进制指令

，

从而解决安卓应

用的兼容性问题

。

1

相关工作

libhoudini

⑼是由美国

Intel

公司开发的项目

，

用

于在基于

X86

处理器平台的安卓系统上支持

ARM

的二进制运行

，

解决安卓应用程序的兼容性问题

。

libhoudini

把

ARM

的二进制代码动态翻译成

X86

处

理器平台上的可执行代码

。

Qemu

IOJ

是由

Fabrice

Bellard

开发的开源的纯

软件虚拟化模拟器

，

几乎可以模拟任何硬件设备

。

Qemu

主要是提取源体系结构代码

，

然后将其翻译

成可信计算组织

(

trusted

computing

group

,

TCG)

中

间代码

，

然后将

TCG

中间代码翻译成目标体系结构

代码

。

它支持

X86

、

ARM

、

MIPS

、

SPARC

和

Power

PC

等架构

。

DigitalBridge

是中国科学院计算所开发的一个

固定源和固定目标的二进制翻译器"⑵

，

能将

X86

程序运行在

MIPS

平台上

，

支持

Adobe

ReaderFire

­

fox^

MySQL

^Apache

等应用程序

。

DigitalBridge

在动

态翻译过程中

，

先不计算标志寄存器的结果

,

使用延

—

32

—

大问

。

2

MIPS

安卓平台上

ARM

二进制翻译

系统的设计

2.

1

动态库跨平台二进制兼容模型

安卓应用的开发工具包括安卓

SDK

和

NDK

。

其中,

SDK

是安卓软件开发工具包,使用该工具包

开发的应用程序采用

Java

语言

，

不存在兼容性问

题

。

NDK

是安卓本地开发工具包

。

采用

NDK

开发

的应用程序可能调用了本地库

,

本地库代码是和某

种架构对应的机器码

。

如果安装平台的架构和应用

程序中调用的动态库不匹配

,

则无法正常执行

，

即出

现不兼容

。

由上述分析可知

，

造成

MIPS

平台上安卓应用

程序不兼容的原因是使用了

JNI

函数的安卓应用程

序中没有

MIPS

版本的动态库

，

导致程序运行过程

中

，

加载动态共享库时出错

。

针对这一问题

，

本文提

出了一种动态库跨平台二进制兼容模型

,

并根据该

模型提出通用的翻译系统架构

。

动态库跨平台二进制兼容模型所要解决的问题

是要通过二进制兼容技术

，

使得动态链接库中的二

进制代码段能够在不同体系结构的硬件平台上被正

确加载

、

链接及执行

。

携带第三方动态库的程序由

目标体系结构的主程序和源体系结构的动态库两部

分组成

，

图

1

所示为该模型的结构图

。

该模型分为

动态链接和代码执行阶段

。

在动态链接阶段

，

目标

体系结构的主程序调用源体系结构的共享库时

，

通

过定制的链接器将源体系结构的共享库进行动态链

接加载;在程序执行阶段

，

目标体系结构的二进制代

码直接运行在

CPU

上,而源体系结构的共享库代码

赵保华等:

MIPS

安卓平台上

ARM

二进制翻译系统

通过二进制翻译技术在目标体系结构

CPU

上运行

。

目标体系结构

态翻译系统架构中

，

动态链接器主要用于在

MIPS

二进制代码中链接

ARM

共享库文件

，

二进制翻译

动态链接阶段

源体系结构共享库

器主要用于将

ARM

二进制代码翻译为

MIPS

代码

来执行

。

下面具体介绍二进制翻译系统各模块的设

二进制代码

计

。

源-目标体系结构

运行阶段

二进制翻译

2.2

二进制翻译器的设计

二进制翻译器设计的依据是目标机器的指令集

架构

，

不同体系结构的指令集在指令架构

、

寻址方

目标体系结构

CPU

式

、

内存访问形式上都有很大的不同

。

设计一个二

图

1

动态库跨平台二进制兼容模型

根据动态库跨平台二进制兼容模型

，

本文提出

通用的跨平台二进制代码翻译系统架构(如图

2

所

示)

，

主要包含

3

个功能模块

。

(1)

自定义动态链接器

。

由于目标体系结构平

台上的动态链接器在加载源体系结构平台动态库时

会出错

，

故要完成第三方动态库在目标体系结构平

台上的加载

，

就需要提供一个工作在目标体系结构

平台上的自定义动态链接器完成工作

。

主要完成符

号决议

、

重定位等链接工作

。

(2)

二进制翻译器

。

在完成源体系结构平台动

态库在目标机上的动态加载链接工作后

，

根据调用

函数的名称得到跳转地址

，

但此时跳转到的二进制

代码是不同体系结构的代码

，

因此需要一个二进制

翻译器模块将源体系结构平台二进制指令翻译为目

标体系结构平台的二进制指令

。

(3)

控制核心

。

在指令的执行过程中

，

需要对

指令处理的中间结果进行存储,并且维护虚拟

CPU

的寄存器状态

。

另外

，

当所调用的函数为系统调用

时,需要将该系统调用转换成本地系统调用

。

图

2

跨平台二进制代码翻译系统架构

本文二进制翻译系统的目标体系结构平台是

MIPS,

而程序所携带的动态库是源体系结构

ARM

的动态库文件

。

在图

2

所示的跨平台二进制代码动

进制翻译器需要主要包含

2

个基本功能

。

(1)

解释源平台二进制指令

。

根据源平台指令

的格式对二进制指令进行解析

，

分析出指令的操作

码

、

操作数

、

执行条件等信息

。

(2)

在目标平台上执行源指令等价操作

。

根据

获得的指令信息将源指令转换成在目标平台上能够

执行的微操作或者目标代码

，

并执行生成的目标代

码实现源指令的等价操作

。

本系统的动态二进制翻译模块整体结构如图

3

所示

，

由系统控制核心

、

ARM

指令译码器

、

微码转换

器

、

编译器

4

部分组成

。

其中控制核心

、

ARM

指令

译码器

、

微码转换器是系统的运行时模块

，

编译器是

系统编译时依赖的编译工具

，

负责将解释器中的

C

微码指令编译成目标平台的二进制代码

。

图

3

二进制翻译器的流程图

二进制翻译模块运行时

,

源平台的所有资源都

通过

CPU

基址加上特定的偏移量来访问

。

系统控

制核心首先会根据动态链接器对

ARM

动态库的加

—

33

—

高技术通讯

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年

1

月第

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卷第

1

期

载和分析,返回文件中所调动的子函数的入口位置

，

从而获得文件执行的代码段入口地址

,

并存放在程

序计数器中

。

然后控制核心读取一条

ARM

二进制

转换到本地平台

，

比较简单的方法就是在进行第三

方动态库中的系统调用过程中

，

将系统调用相关函

数转化为本地系统调用

，

在调用时获取翻译系统此

时的寄存器和内存状态,转化为

MIPS

进行系统调

指令并传入

ARM

指令译码器

，

译码器按照

ARM

指

令的格式和译码规则翻译为汇编指令

，

并将形成的

用的寄存器和内存状态

。

接着在

MIPS

中调用本地

汇编指令送入微码转换器

。

微码转换器会将接收到

的汇编指令翻译成等价的

C

函数微码片段

。

运行

时通过动态代码生成器把以上微操作组合成一个函

的系统调用

，

获取结果,并返回给翻译系统

。

2.4

动态链接器设计

动态链接器的流程图如图

4

所示

。

动态链接器

包含链接器和加载器

［

⑷

，

但在实际的

Linux

系统

数并执行,就相当于执行了一条源指令

，

通过执行这

些指令流完成对源平台指令的等价执行

。

2.3

控制核心的设计

ARM

二进制代码动态翻译系统需要一个控制

核心来在运行时记录环境变量

，

该控制核心需要包

含以下

3

个基本功能

。

(1)

系统初始化

。

系统初始化主要包括虚拟

CPU

寄存器的初始化,代码区和栈区的内存空间的

分配以及其他系统参数的初始化

。

系统初始化过程

中

，

由于不同体系结构下寄存器的名称

、

数量

、

位数

及功能不相同

，

需要根据具体目标平台设置相应的

系统初始化流程

。

(2)

运行时管理

。

运行时管理是对运行时的内

存数据和目标机的虚拟

CPU

寄存器状态的管理

。

运行时管理模块包含线程共享的堆数据管理

、

线程

独享的栈数据管理以及程序计数器的管理等

，

具体

实现可根据虚拟内存的布局进行具体的管理

。

运行

时的虚拟

CPU

管理主要是根据程序的执行情况更

新虚拟

CPU

的寄存器状态

，

包括通用寄存器

、

段寄

存器

、

标志位寄存器等

。

此外,运行时管理的一个重

要工作是处理两种不同的架构之间代码相互调用

，

为此准备必要的胶合代码

。

(3)

系统调用的处理

。

劫持系统调用

，

并将源

平台的系统调用转换成本地系统调用

。

常用的本地

系统调用劫持的方法有

：

1

)

通过修改

sys

_

call

ta

­

ble

中对应的内核函数地址进行系统调用劫持

。

2)

对于特定的系统调用

，

通过修改

vfs

文件系统进行

劫持

。

3)

构造新的中断描述符替换原系统调用使

用的中断号

，

并在新的中断处理函数中处理系统调

用

。

但是

，

第三方动态库中的系统调用劫持和本地

系统调用劫持不一样

，

实际上是将源平台系统调用

—

34

—

中

，

任何一个链接器需要实现以下

3

个基本功能

。

图

4

动态链接器的流程图

(1)

程序加载

。

根据动态库的名称将程序从磁

盘拷贝到主内存中

，

需要注意的是当程序加载异架

构的动态库文件失败时

，

则用自己开发的二进制模

块实现对动态库的装入和链接

。

共享库文件在内存

加载的过程中根据

ELF

文件的段表对共享库文

件的

ELF

头部(

ELF

Header)

、

PLT

表

、

GOT

表

、

字符

串表

(String

Table)

以及其他链接所需要的所有节区

进行解析,同时记录过程中所需要的属性值

。

(2)

重定位

。

根据加载地址调整程序中的数据

和代码以使程序的变量和函数地址指向实际逻辑地

址

。

需要注意的是在对第三方动态库的重定位过程

赵保华等:

MIPS

安卓平台上

ARM

二进制翻译系统

中对系统调用的处理

。

系统调用是用户程序与内核

信息

，

将汇编指令转换成对应功能的

C

语言中间代

码

，

采用类似

Qemu

的微操作形式

。

例如

，

当遇到如

间的接口

，

内核函数可以驱动硬件设备

，

因为不同硬

件设备的内核函数实现不同

，

所以需要将原系统调

下

ARM

指令

：

Add

r3

r3

16

#

r3

=

r3

+

16

用进行捕获转移到目标机的系统调用上

。

(3)

符号解析

。

可执行文件和动态库文件间的

微码转换器将其分解为如下的微操作

。

movl

_T0_rl

#

TO

=

rl

变量和函数的相互引用是通过符号进行的

，

需要链

接器解析符号来给引用符号分配在库中的地址

，

使

addl_T0_im

16

#

TO

=

TO

+16

得

call

指令时直接调用该地址

。

在共享库的符号解

析过程中

，

实际是解析.

dynsym

节区中保存的动态

movl

_

rl

_

TO

#

rl

=

TO

随后在转换器中会找出这

3

条指令的对应

C

符号表的过程

。

3

ARM

二进制翻译系统的实现

3.1

二进制翻译模块

二进制翻译模块主要负责第三方动态库的二进

制代码翻译工作

，

基于二进制翻译技术的分析对比

，

本系统中二进制翻译模块基于开源项目

Unicorn

】

”

]

进行开发

，

Unicorn

基于动态翻译技术

。

使用

Uni

­

corn

引擎的基本流程是

：

(

1)

初始化二进制翻译器

，

初始化一个

64

bit

的

ARM

架构的模拟器

；

(

2)

映射

二进制翻译器的虚拟地址

，

将代码区映射到

0x10000

、

栈区映射到

0x20000

的内存空间

；

(

3)

把二

进制数据写入二进制翻译器的虚拟地址

；

(

4)

初始

化二进制翻译器的寄存器

；

(

5)

设置

hook

回调函

数

，

其中

hook

_

code

就是一个回调函数

，

可以用来

打印一些中间执行结果

，

由用户自己实现

。

Unicorn

的

hook

回调机制极大地方便了对指令的调试

，

通过

hook

机制查看当前的寄存器和栈区的数据

；

(

6)

执

行指令

。

在指令译码器设计方面,指令译码器所要执行

的任务是将一条二进制指令翻译成其对应的汇编指

令

，

也就是反汇编的过程

。

当获得一条二进制指令

时

，

根据

ARM

指令集的指令格式

，

获取执行指令的

操作码

、

操作数

、

条件码等信息

。

这一步骤的重点在

于获取不同寻址方式下的操作数

，

通过分析指令字

助记符和指令码

，

可以很方便地得到不同寻址方式

的操作数

。

在微码转换器设计方面

,

微码转换器根据指令

译码器产生的指令操作码

、

操作数个数

、

寻址模式等

函数为

void

op

_

movl

_

TO

_

rl

(

void

)

{

TO

=

env-

>

regs

[

1

]

;}

void

op

_

addl

_

TO

__

im(

void

)

{

TO

=

TO

+

((

long)

(

&

_

op

_

paraml

))

；

}

void

op

_

movl

_

rl

_

TO

(

void

)

{

env-

>

regs

[

1

]

=

TO

；

j

而立即数

16

会被送入控制核心中保存立即数

的堆栈中以备运行时使用

。本系统对中间代码转换

函数进行了简化,直接将

C

函数中的代码内联到微

码转换环节,

“

Add

r3

r3

16

”

指令将被直接转换为如

下微码

。

这些微码片段在编译二进制翻译模块源代

码的时候就已经被编译成了

MIPS

平台的二进制代

码

。

TO

=

env-

>

regs

[

1

]

；

TO

=

TO

+

(

(long)

(&_

op

_

paraml

))

；

env-

>

regs

[

1

]

=

TO

；

3.2

控制核心模块

控制核心中需要实现包括不同架构的函数互调

用

、

处理系统调用

、

地址空间协调等功能

。

不同架构有不同的应用程序二进制接口

(

appli

­

cation

binary

interface

,

ABI

)

o

ABI

是在二进制级别

上定义的一套函数调用规范

,

涵盖诸如数据类型

、

大

小

、

对齐方式

、

参数如何传递并返回值等

。

控制核心

模块必须处理

ARM

ABI

和

MIPS

ABI

之间的差异

。

针对

MIPS

代码调用

ARM

本地库的情况

，

在龙芯安

卓系统中

，

调用本地库是通过

dvmPlatformlnvoke

实

现的

。

dvmPlatformlnvoke

的功能是根据调用函数的

签名来为该函数准备调用环境

，

从

Java

的运行数据

里取出函数的参数

，

按

C

程序的要求准备好寄存器

—

35

—

高技术通讯

2021

年

1

月第

31

卷第

1

期

和调用栈

，

然后调用本地库的函数

。

对函数

func,

该

函数定义为

int

func(

int

argl

,

int

arg2)

就是要取出

两个整型的参数

，

放到

aO/al

两个寄存器里边

。

如

到

Android

系统中

，

主要修改如下

。

(1)

装入和链接

。

如果打开

mips

的本地库失

败

，

则尝试打开

arm

的本地库,并采用所开发的二进

制模块提供的查找符号以及调用函数等接口

。

(2)

调用

。

在

dvmPlatformlnvoke

做一些处理

。

果

func

的实现是

MIPS

代码

，

它会正确地按照

MIPS

的

ABI

约定

，

从

aO/al

寄存器取出参数

。

但是在目

标是

ARM

代码的情况下

，

本地库里的代码只会按

ARM

的

ABI

约定

，

试图从

ARM

架构的

rf)/rl

寄存

仅用

method-

>

insns

传递函数指针不好区分是本地

库函数还是

arm

库函数

，

需要传递整个

method

指

针

，

并且在之前的查找

method

时记录下所在的

ShareLib

结构指针

。

这样

,

对于

arm

库函数

，

可以从

器得到参数

。

所以

，

控制核心模块必须处理两者之

间的差异

，

先按

MIPS

的

ABI

取出参数

，

再按

ARM

的

ABI

准备参数和调用环境

。

栈和返回值也需要

根据情况处理

。

另外

，

控制核心还要处理从

ARM

代码库调用

MIPS

代码等情况

。

在系统调用方面

，

系统调用指运行在用户空间

的程序向操作系统内核请求需要更高权限运行的服

务

。

但不同体系结构内核函数的实现并不相同

，

需

要将原系统调用进行捕获转移到目标机的系统调用

上

。

系统调用实际使用时通常会被包装成各种库函

数

，

可以直接劫持库函数调用

,

改为使用主机的相应

函数

。

涉及的库函数中绝大部分都是

linux

系统中

最底层的

api-glibc

中的库函数

，

包括数据转换函

数

、

字符串处理函数

、

时间函数

、

I/O

函数

、

格式化输

入输出函数

、

文件及目录函数

.Socket

相关函数

、

消

息队列函数

、

pthread

相关函数等

。

基于这个原理

，

在系统中定义一个

plt_

stubs

表用于记录

glibc

中的

库函数名

，

并对每个库函数编写对应的转换函数。

另外

,

对于一些特殊的库函数

，

除参数传递外

,

还需

要做一些本地化工作

，

例如涉及内存申请的

malloc

动态内存分配函数

。

在地址空间协调方面

，

主机函数和

ARM

本地

库互相调用会造成一个问题

。

ARM

本地库是由一

个虚拟

CPU

执行,通常它也有自己的地址空间

，

因

此在

ARM

函数看到的地址和主机函数看到的地址

可能不一样

。

这样会带来问题

，

如从参数传递过来

的数据结构里边如果有地址都需要转换

。

为了解决

这个问题

，

本文利用

unicorn

的地址空间映射接口

，

统一了

ARM

虚拟机和主机进程的地址空间

，

让两

边看到的地址一致

。

3.3

与

Android

系统的整合

需要修改虚拟机代码

，

将二进制翻译框架集成

—

36

—

method

结构查找出对应的

ShareLib

，

然后用它找到

二进制翻译模块的

vm

指针和其中的库文件句柄,

并做好二进制翻译需要的调用数据准备

，

再进行函

数调用

。

4

实验平台和实验结果

4.1

实验平台

实验平台为基于

MIPS

架构的龙芯处理器平台

(配置如表

1

所示)

，

采用的

CPU

为四核龙芯

3A3000,

基于

GS464E

处理器核架构设计

〔

"

〕

，

主频

为

1.5

GHz,

片上三级

Cache

为

4

MB

；

采用的操作系

统为龙芯自研的

Loongnix

1.

0,

其中内核为

Linux

3.10.0,

内存容量为

8GB

O

表

1

测试主机的配置

CPU

型号

龙芯

3A3OOO

处理器核数

4

核

主频

1.5

GHz

OSLoongnix

1

.

0

Kernel

Linux

3.

10.

0

内存

8

GB

4.2

实验结果

安卓

ARM

动态库兼容系统测试包含功能测试

和性能测试两个部分

，

功能测试主要验证安卓应用

在

MIPS

平台上运行的有效性

、

基本的算数逻辑运

算

、

常用的库函数调用的正确性;性能测试通过对比

使用二进制翻译器的执行效率与采用本地编译执行

效率的差异

，

从而提出未来优化建议

。

4.2.1

功能测试

赵保华等:

MIPS

安卓平台上

ARM

二进制翻译系统

(1)

测试集测试

(2)

应用测试

测试集测试的目的是测试基本的算数逻辑运

算

、

常用的库函数调用的正确性

。

所编写的

C

语言

测试程序

，

通过安卓

NDK

内的

gcc

编译成

ARM

动

应用测试的目的是测试二进制翻译器的实际兼

容效果

，

测试程序为应用市场上下载的

WPS

、

美图

秀秀

、

福昕

PDF

、

网易云音乐等典型应用

，

应用能够

态库文件

,

最后使用本文的二进制翻译模块执行该

正常打开,使用各种基本功能没有出现

bug,

应用测

试正常

。

测试结果说明二进制翻译能正常进行基本的运

动态库中相应的测试函数来记录运行结果

。

Basic

测试集中包含

for

循环体

、

赋值操作

、

算术

和逻辑运算

，

编译之后的二进制文件能覆盖基本的

ARM

指令

，

运行后能验证指令的正确性

。

其他的测

算

,

并能够对系统调用进行正常处理

。

4.2.2

性能测试

试集用于测试系统调用处理的正确性

，

安卓应用程

序中,常用的系统调用是通过调用

glibc

库中的库函

数实现的

，

常用的库函数有

I/O

函数

、

格式化输入输

出函数

、

套接字函数

、

线程函数

、

时间函数

、

字符串处

理函数

、

文件读写函数

、

数据转换函数

、

文件及目录

函数

。

针对这些常用的库函数，

分别设计一个测试

集用于测试相关功能是否正常运行

，

详细信息见

表

2

。

测试集功能测试结果如表

3

所示

。

表

2

测试集设计

序号

测试集

测试项内容

1

Basic

基本算术与逻辑运算

2

Output

10

、

格式化输入输出函数

3

Socket

套接字库函数

4

Pthread

线程相关库函数

5

Time

时间相关库函数

6

String

字符串相关库函数

7

Mq

消息队列相关库函数

8

Data

数据转换相关函数

9

File

文件读写相关库函数

表

3

测试集设计

序号

测试集

测试结果

1

Basic

正确

2

Output

正确

3

Socket

正确

4

Plhread

正确

5

Time

正确

6

String

正确

7

Mq

正确

8

Data

正确

9

File

正确

本文采用常用于嵌入式系统性能测试的

EEM-

BC-Coremark

基准测试程序

〔

⑻和包含

30

个数值计

算小程序的

Polybench/C

4.

2

［

切对本文二进制翻译

的性能进行了测试

。

为了测试方便

，

为本文的二进

制翻译模块添加了直接执行二进制文件的功能

。

Coremark

用缺省参数编译

，

取性能运行结果

。

Coremark

性能测试结果如表

4

所示

。

表

4

Coremark

性能测试结果

测试项

本地运行

二进制翻译

分数

运行分数

比例

Coremark

2776

752

27.0%

Polybench

4.

2

全部采用默认的数据集

，

加-

DPOLYBENCH

_

TIME

参数编译以打印出执行时

间

。

性能测试结果如表

5

所示

。

从测试结果可以看出

，

对于以定点为主的

Core

­

mark

基准测试程序

，

本文的二进制翻译模块运行速

度能够达到本地编译运行速度的

27%

。

然而对于

以数值计算为主的

Polybench,

该比例平均只有

4.

1%

。

总体来说

，

安卓

ARM

动态库兼容系统在功

能上正确翻译执行了第三方动态库中的函数代码

，

但在性能上相对源码编译执行有较大下降

，

尤其是

浮点程序

。

这符合

Qemu

本身二进制翻译引擎的特

点(浮点模拟效率较低)

。

同时

Unicorn

对

Qemu

有

修改

，

这些修改可能会对二进制翻译器的性能有所

损耗

。

未来工作需要进一步优化其性能

。

5

结论

本文提出了一种动态库跨平台二进制兼容模

—

37

—

高技术通讯

2021

年

1

月第

31

卷第

1

期

表

5

Polybench

性能测试结果

用的兼容性问题

。

采用定点为主的

EEMBC-Core-

比例/%

本地运行

测试项

时间

/s

二进制翻译

mark

测试结果表明

，

二进制翻译执行获得了本地编

运行时间

/s

译执行

27%

的性能

，

在现在

CPU

运算能力很强的情

3.5

3.5

correlation

9.

14

9.

14

12.32

262.

04

260.

99

495.30

covariance

况下,应用性能能够接受

。

对于数值计算为主的

Polybench

而言,二进制翻译执行性能与本地编译执

2mm

3

mm

2.5

20.28

701.97

2.9

行的性能差距较大

，

未来工作主要是进一步提升

Atax

0.03

2

1.5

Bieg

0.

11

1.98

5.6

doitgen

3.26

132.42

2.5

Mvt

0.06

2.06

2.9

Gemm

4.47

467.

37

1.0

gemver

0.08

4.74

1.7

gesummv

0.05

0.83

6.0

symm

14.73

349.99

4.2

syr2k

13.50

500.

29

2.7

syrk

3.71

245.43

1.5

trmm

4.05

153.49

2.6

cholesky

8.29

334.

66

2.5

durbin

0.02

1.02

2.0

gramschmidt

12.04

389.

80

3.

1

lu

20.44

702.

84

2.9

ludcmp

19.68

634.

93

3.

1

tri

sol

v

0.01

0.50

2.0

deriche

2.

11

1&40

11.5

floyd-warshall

14

&

41

842.

14

17.6

nussinov

17.86

145.37

12.3

adi

112.78

1501.55

7.5

fdtd-2d

13.74

776.

99

1.8

head-3

d

26.88

2257.

78

1.2

jacobi-ld

0.010.69

1.4

jacobi-2d

12.85

914.88

1.4

seidel-2d

168.

12

1896.02

&

9

平均

4.

1

型

，

以及通用的跨平台二进制翻译系统的架构

，

并在

MIPS

安卓平台上设计实现了

ARM

二进制翻译系

统

。

该系统能够进行

ARM

动态库的跨平台加载,

并采用动态二进制翻译

，

将

ARM

动态库中的二进

制指令翻译成为

MIPS

架构的二进制指令,从而使

ARM

二进制翻译系统能够在

MIPS

架构处理器上执

行

。

应用测试结果表明,该系统可以运行调用

ARM

本地库的安卓应用程序,解决了

MIPS

平台安卓应

—

38

—

ARM

二进制翻译系统的性能

。

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OL]

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：

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unicorn-engine

・

org/BHUSA2015

・

uni

・

com.

pdf

：

Unicorn

,

2015

2019

ARM

binary

translation

system

based

on

MIPS

Android

platform

Zhao

Baohua

*

*

*

***

,

An

Ningyu

**

*"

,

Xu

Zhechong

****

,

Du

Anli

****

,

Su

Tao

(*

Faculty

of

Information

Technology

,

Beijing

University

of

Technology

,

Beijing

100124)

(

"Global

Energy

Interconnection

Research

Institute

Co.

Ltd

,

Beijing

102209)

Aitificial

Intelligence

on

Electric

Power

System

State

Grid

Corporation

Joint

Laboratory

(

GEIRI

)

,

Beijing

102209)

(

Loongson

Technology

Co.

Ltd

,

Beijing

100095

)

Abstract

Microprocessor

without

interlocked

piped

stage

(

MIPS

)

is

an

important

processor

architecture.

Android

is

the

mainstream

operating

system

of

mobile

terminals.

Running

Android

operating

system

on

MIPS

architecture

processor

can

effectively

expand

the

field

of

application

,

but

the

problem

is

that

the

Android

application

that

calls

the

local

li

­

brary

of

advanced

RISC

machine

(

ARM

)

architecture

can

not

run

,

that

is

,

there

is

application

incompatibility

problem.

This

paper

proposes

a

dynamic

library

cross-platform

binary

compatibility

model

,

designs

and

implements

an

ARM

binary

translation

system

based

on

MIPS

Android

platform

,

which

can

load

dynamic

libraries

across

plat

­

forms

and

translates

the

binary

instructions

in

ARM

dynamic

libraries

into

MIPS

binaiy

instructions

,

so

that

they

can

be

executed

on

MIPS

architecture

processors.

The

experimental

results

show

that

the

system

can

run

Android

applications

calling

ARM

local

library

and

solve

the

compatibility

problem

of

Android

applications.

Key

words

:

binary

translation

,

advanced

RISC

machine

(

ARM

)

,

microprocessor

without

interlocked

piped

stage

(

MIPS

)

,

Android

—

39

—