FAT-DBT engine (framework for application-tailorcd, co-designcd dynamic binary translation enginc)

Tese de Doutoramento em Engenharia Eletrónica e de Computadores (PDEEC)Dynamic binary translation (DBT) has emerged as an execution engine that monitors, modifies and possibly optimizes running applications for specific purposes. DBT is deployed as an execution layer between the application binary and the operating system or host-machine, which creates opportunities for collecting runtime information. Initially, DBT supported binary-level compatibility, but based on the collected runtime information, it also became popular for code instrumentation, ISA-virtualization and dynamic-optimization purposes. Building a DBT system brings many challenges, as it involves complex components integration and requires deep architectural level knowledge. Moreover, DBT incurs in significant overheads, mainly due to code decoding and translation, as well as execution along with general functionalities emulation. While initially conceived bearing in mind high-end architectures for performance demanding applications, such challenges become even more evident when directing DBT to embedded systems. The latter makes an effective deployment very challenging due to its complexity, tight constraints on memory, and limited performance and power. Legacy support and binary compatibility is a topic of relevant interest in such systems, due to their broad dissemination among industrial environments and wide utilization in sensing and monitoring processes, from yearly times, with considerable maintenance and replacement costs. To address such issues, this thesis intents to contribute with a solution that leverages an optimized and accelerated dynamic binary translator targeting resourceconstrained embedded systems while supporting legacy systems. The developed work allows to: (1) evaluate the potential of DBT for legacy support purposes on the resource-constrained embedded systems; (2) achieve a configurable DBT architecture specialized for resource-constrained embedded systems; (3) address DBT translation, execution and emulation overheads through the combination of software and hardware; and (4) promote DBT utilization as a legacy support tool for the industry as a end-product.A tradução binária dinâmica (TBD) emergiu como um motor de execução que permite a modificação e possível optimização de código executável para um determinado propósito. A TBD é integrada nos sistemas como uma camada de execução entre o código binário executável e o sistema operativo ou a máquina hospedeira alvo, o que origina oportunidades de recolha de informação de execução. A criação de um sistema de TBD traz consigo diversos desafios, uma vez que envolve a integração de componentes complexos e conhecimentos aprofundados das arquitecturas de processadores envolvidas. Ademais, a utilização de TBD gera diversos custos computacionais indirectos, maioritariamente devido à descodificação e tradução de código, bem como emulação de funcionalidades em geral. Considerando que a TBD foi inicialmente pensada para sistemas de gama alta, os desafios mencionados tornam-se ainda mais evidentes quando a mesma é aplicada em sistemas embebidos. Nesta área os limitados recursos de memória e os exigentes requisitos de desempenho e consumo energético,tornam uma implementação eficiente de TBD muito difícil de obter. Compatibilidade binária e suporte a código de legado são tópicos de interesse em sistemas embebidos, justificado pela ampla disseminação dos mesmos no meio industrial para tarefas de sensorização e monitorização ao longo dos tempos, reforçado pelos custos de manutenção adjacentes à sua utilização. Para endereçar os desafios descritos, nesta tese propõe-se uma solução para potencializar a tradução binária dinâmica, optimizada e com aceleração, para suporte a código de legado em sistemas embebidos de baixa gama. O trabalho permitiu (1) avaliar o potencial da TBD quando aplicada ao suporte a código de legado em sistemas embebidos de baixa gama; (2) a obtenção de uma arquitectura de TBD configurável e especializada para este tipo de sistemas; (3) reduzir os custos computacionais associados à tradução, execução e emulação, através do uso combinado de software e hardware; (4) e promover a utilização na industria de TBD como uma ferramenta de suporte a código de legado.This thesis was supported by a PhD scholarship from Fundação para a Ciência e Tecnologia, SFRH/BD/81681/201