發(fā)展以CPU 和操作系統(tǒng)為核心的自主軟硬件已經(jīng)成為中國(guó)的國(guó)家戰(zhàn)略。 經(jīng)過(guò)自“十五” 以來(lái)的十余年努力， 以“龍芯”、“飛騰”、“申威” 為代表的中國(guó)自主CPU 研發(fā)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展， 部分設(shè)計(jì)技術(shù)達(dá)到了世界先進(jìn)水平， 并在實(shí)際應(yīng)用方面取得了若干突破， 出現(xiàn)了良好的發(fā)展勢(shì)頭。 隨著自主CPU應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化的不斷深入， 相關(guān)的軟硬件生態(tài)問(wèn)題變得越來(lái)越突出。 雖然自主CPU 都在不同程度上采取了與國(guó)外CPU 兼容的技術(shù)路線(xiàn)， 如“龍芯” 在取得MIPS 架構(gòu)授權(quán)的基礎(chǔ)上采取與MIPS 兼容的策略， 但比起主流的軟硬件生態(tài)， 如X86 在桌面/服務(wù)器領(lǐng)域的軟件生態(tài)以及ARM 在手持終端領(lǐng)域的軟件生態(tài)， 自主CPU 在軟硬件生態(tài)方面還處在很初級(jí)的水平， 嚴(yán)重制約了自主CPU 的產(chǎn)業(yè)化。

　　二進(jìn)制翻譯技術(shù)是實(shí)現(xiàn)跨指令系統(tǒng)兼容的重要手段。 二進(jìn)制翻譯技術(shù)在宿主機(jī)（host） 上用軟件模擬出一個(gè)目標(biāo)機(jī)/客戶(hù)機(jī)（guest） 指令系統(tǒng)兼容的CPU 來(lái)， 從而在宿主機(jī)上執(zhí)行客戶(hù)機(jī)的二進(jìn)制代碼， 達(dá)到兼容的目的。 如在MIPS 計(jì)算機(jī)上模擬X86 指令系統(tǒng)， 從而實(shí)現(xiàn)與X86 兼容。 二進(jìn)制翻譯的最大問(wèn)題是效率問(wèn)題， 用軟件模擬的CPU 比硬件直接實(shí)現(xiàn)的CPU 慢很多。 如在MIPS 計(jì)算機(jī)上使用二進(jìn)制翻譯的方法運(yùn)行X86 二進(jìn)制程序， 比起把該程序直接從源代碼編譯成MIPS 指令并在MIPS計(jì)算機(jī)上執(zhí)行， 運(yùn)行速度一般有數(shù)量級(jí)的差異。

　　通過(guò)硬件支持和軟硬件協(xié)同可以有效提高二進(jìn)制翻譯的效率。 雖然不同的通用指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在功能上都是完備的， 可以通過(guò)指令組合實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的功能， 但指令的具體定義不同， 翻譯起來(lái)就會(huì)走彎路。 例如， X86 的每條運(yùn)算指令都要產(chǎn)生EFLAG 標(biāo)志位， 如果用MIPS 指令來(lái)模擬產(chǎn)生EFLAG 標(biāo)志， 至少需要幾十條指令， 如果在MIPS 中增加專(zhuān)門(mén)產(chǎn)生EFLAG 的指令， 則翻譯起來(lái)就可以做到一一對(duì)應(yīng)。 又如， 訪(fǎng)存指令都需要進(jìn)行虛實(shí)地址轉(zhuǎn)換， 從X86 到MIPS 的二進(jìn)制翻譯中， 要先把X86 的虛地址轉(zhuǎn)換成X86 的物理地址， 再把X86 的物理地址作為MIPS 的虛地址轉(zhuǎn)換成MIPS 的物理地址，上述轉(zhuǎn)換過(guò)程如果由軟件實(shí)現(xiàn)， 需要十多條指令， 如果在MIPS 的TLB （translation lookahead buffer）中增加一些特定的支持， 就可以直接把X86 的虛地址翻譯成MIPS 的物理地址， 徹底消除虛實(shí)地址轉(zhuǎn)換的開(kāi)銷(xiāo)。

　　龍芯CPU 在兼容MIPS 指令系統(tǒng)的基礎(chǔ)上通過(guò)MIPS 指令系統(tǒng)的UDI （user defined interface）進(jìn)行擴(kuò)充， 增加MIPS 中不具備但X86 和ARM 具備的核心功能， 形成龍芯指令系統(tǒng)LoongISA， 使得從X86 和ARM 的二進(jìn)制到龍芯CPU 的二進(jìn)制翻譯更加方便。 通過(guò)軟硬結(jié)合的二進(jìn)制翻譯， 在龍芯CPU 上流暢運(yùn)行X86 和ARM 的主流系統(tǒng)及應(yīng)用， 以彌補(bǔ)MIPS 架構(gòu)軟件生態(tài)的不足。 具體地說(shuō)：（1） 在Linux 操作系統(tǒng)上進(jìn)行從X86 到LoongISA 的系統(tǒng)級(jí)二進(jìn)制翻譯， 以運(yùn)行MS Windows 系統(tǒng)及其應(yīng)用。 （2） 在Linux 操作系統(tǒng)上進(jìn)行從X86 到LoongISA 的應(yīng)用級(jí)二進(jìn)制翻譯， 以運(yùn)行基于Linux 的X86 應(yīng)用。 雖然Linux 上的多數(shù)應(yīng)用都可以從開(kāi)源社區(qū)獲得并編譯到MIPS 環(huán)境下執(zhí)行， 但有少數(shù)關(guān)鍵商業(yè)應(yīng)用如Oracle 數(shù)據(jù)庫(kù)沒(méi)有開(kāi)源版本， 需要建立基于Linux 的從X86 到LoongISA 的二進(jìn)制翻譯。 （3） 在Android 操作系統(tǒng)上進(jìn)行從ARM 到LoongISA 的應(yīng)用級(jí)二進(jìn)制翻譯， 以運(yùn)行基于Android的ARM 二進(jìn)制應(yīng)用。 Android 系統(tǒng)支持MIPS 指令集， 且其多數(shù)應(yīng)用是基于Dalvik 虛擬機(jī)的， 在MIPS 系統(tǒng)上運(yùn)行沒(méi)有障礙。 但有少量對(duì)性能要求較高的應(yīng)用中插入了ARM 二進(jìn)制碼， 在MIPS 指令系統(tǒng)上無(wú)法直接運(yùn)行， 因此需要建立從ARM 到LoongISA 的應(yīng)用級(jí)二進(jìn)制翻譯。 龍芯CPU 與X86及ARM 兼容策略如圖1 所示。

　　龍芯二進(jìn)制翻譯系統(tǒng)以L(fǎng)oongISA 指令集兼容不同形態(tài)的X86， ARM 指令集， 通過(guò)技術(shù)手段消除單一指令系統(tǒng)的壁壘， 使得MIPS， X86， ARM 等不同指令集的系統(tǒng)及應(yīng)用軟件能夠融合到統(tǒng)一的LoongISA 平臺(tái)上， 不加區(qū)別地運(yùn)行。 作為中間層的二進(jìn)制翻譯器， 充分利用本地硬件支持最大化地提高模擬效率， 對(duì)上層應(yīng)用軟件提供目標(biāo)指令集的虛擬運(yùn)行環(huán)境。 不同二進(jìn)制的應(yīng)用軟件與運(yùn)行的硬件平臺(tái)之間不再具有決定關(guān)系， 用于支持軟件開(kāi)發(fā)的編譯器、匯編器， 以往被綁定在各自特定的CPU 之上， 現(xiàn)在都能為L(zhǎng)oongISA 平臺(tái)提供軟件資源。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明， 龍芯軟硬結(jié)合的二進(jìn)制翻譯技術(shù)可以成數(shù)量級(jí)地提高從X86/ARM 到MIPS 的二進(jìn)制翻譯效率。

　　龍芯CPU 在兼容MIPS 指令系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)充， 增加MIPS 中不具備但X86 和ARM 具備的、對(duì)二進(jìn)制翻譯影響很大的核心功能， 形成龍芯指令系統(tǒng)LoongISA. 在此基礎(chǔ)上， 通過(guò)軟硬結(jié)合的二進(jìn)制翻譯， 在龍芯CPU 上運(yùn)行X86 和ARM 的主流系統(tǒng)及應(yīng)用， 以彌補(bǔ)MIPS 架構(gòu)軟件生態(tài)的不足。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明， 通過(guò)軟硬件協(xié)同優(yōu)化， 龍芯指令系統(tǒng)融合技術(shù)能夠消除指令系統(tǒng)之間的壁壘， 使得MIPS， X86， ARM 等不同指令集的軟件能夠融合到統(tǒng)一的LoongISA 平臺(tái)上， 不加區(qū)別地高效運(yùn)行。