OpenISA, um conjunto de instruções híbrido

Orientador: Edson BorinTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de ComputaçãoResumo: OpenISA é concebido como a interface de processadores que pretendem ser altamente flexíveis. Isto é conseguido por meio de três estratégias: em primeiro lugar, o ISA é empiricamente escolhido para ser facilmente traduzido para outros, possibilitando flexibilidade do software no caso de um processador OpenISA físico não estar disponível. Neste caso, não há nenhuma necessidade de aplicar um processador virtual OpenISA em software. O ISA está preparado para ser estaticamente traduzido para outros ISAs. Segundo, o ISA não é um ISA concreto nem um ISA virtual, mas um híbrido com a capacidade de admitir modificações nos opcodes sem afetar a compatibilidade retroativa. Este mecanismo permite que as futuras versões do ISA possam sofrer modificações em vez de extensões simples das versões anteriores, um problema comum com ISA concretos, como o x86. Em terceiro lugar, a utilização de uma licença permissiva permite o ISA ser usado livremente por qualquer parte interessada no projeto. Nesta tese de doutorado, concentramo-nos nas instruções de nível de usuário do OpenISA. A tese discute (1) alternativas para ISAs, alternativas para distribuição de programas e o impacto de cada opção, (2) características importantes de OpenISA para atingir seus objetivos e (3) fornece uma completa avaliação do ISA escolhido com respeito a emulação de desempenho em duas CPUs populares, uma projetada pela Intel e outra pela ARM. Concluímos que a versão do OpenISA apresentada aqui pode preservar desempenho próximo do nativo quando traduzida para outros hospedeiros, funcionando como um modelo promissor para ISAs flexíveis da próxima geração que podem ser facilmente estendidos preservando a compatibilidade. Ainda, também mostramos como isso pode ser usado como um formato de distribuição de programas no nível de usuárioAbstract: OpenISA is designed as the interface of processors that aim to be highly flexible. This is achieved by means of three strategies: first, the ISA is empirically chosen to be easily translated to others, providing software flexibility in case a physical OpenISA processor is not available. Second, the ISA is not a concrete ISA nor a virtual ISA, but a hybrid one with the capability of admitting modifications to opcodes without impacting backwards compatibility. This mechanism allows future versions of the ISA to have real changes instead of simple extensions of previous versions, a common problem with concrete ISAs such as the x86. Third, the use of a permissive license allows the ISA to be freely used by any party interested in the project. In this PhD. thesis, we focus on the user-level instructions of OpenISA. The thesis discusses (1) ISA alternatives, program distribution alternatives and the impact of each choice, (2) important features of OpenISA to achieve its goals and (3) provides a thorough evaluation of the chosen ISA with respect to emulation performance on two popular host CPUs, one from Intel and another from ARM. We conclude that the version of OpenISA presented here can preserve close-to-native performance when translated to other hosts, working as a promising model for next-generation, flexible ISAs that can be easily extended while preserving backwards compatibility. Furthermore, we show how this can also be a program distribution format at user-levelDoutoradoCiência da ComputaçãoDoutor em Ciência da Computação2011/09630-1FAPES

ADL based automatic compiler backend generation

Orientador: Paulo Cesar CentoducatteDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de ComputaçãoResumo: O processo de automatização da criação de backends de compiladores, isto é, do componente responsável pela tradução final para código de máquina, é perseguido desde o surgimento dos primeiros compiladores. A separação entre os algoritmos empregados no backend e a descrição formal da máquina, que requer conhecimento sobre a arquitetura alvo, é uma característica bastante desejada, uma vez que propicia a criação de novos backends sem a necessidade de conhecer o projeto do compilador, mas apenas do processador. Por esse motivo, um esforço natural para manter o desenvolvimento simples e intuitivo é a concentração do conhecimento sobre a máquina alvo em uma forma concisa de descrição, a partir da qual seja possível especializar algoritmos genéricos de compilação para este alvo específico. Uma linguagem de descrição de arquiteturas (ADL) permite a especificação das características arquiteturais de processadores, incluindo o seu conjunto de instruções (ISA). Neste trabalho, um estudo de mecanismos para gerar backend de compiladores através de descrições arquiteturais de processadores é apresentado, com ênfase no estudo de caso da ADL ArchC com o compilador LLVM. Um protótipo de um gerador de backends para LLVM a partir de uma descrição em ArchC foi desenvolvido, e backends para as arquiteturas ARM, MIPS, SPARC e PowerPC foram gerados com sucesso. Para alcançar este objetivo, foi usado um algoritmo de busca para resolver o problema da programação automática e inferir como implementar fragmentos pré-selecionados da linguagem intermediária LLVM utilizando instruções de uma arquitetura alvo arbitrária. Quatro técnicas para aumentar a velocidade deste algoritmo são apresentadas, de forma a não somente viabilizar uma solução para a geração automática de backends, mas também concluir o processo em menos de 20 segundos para três das quatro arquiteturas testadas. Programas do benchmark Mibench foram compilados com os compiladores gerados, executados com simuladores ArchC e os resultados comparados com aqueles gerados a partir dos mesmos programas compilados com os compiladores gcc e LLVM original, validando os novos backends. A qualidade do código gerado pode ser comparada com a de compiladores consagrados, caso seja utilizado um otimizador peephole para realizar substituições simples de algumas sequências ineficientesAbstract: Researchers pursue the automation of compiler backend generation, the component responsible for final translation from intermediate language to machine code, since the begining of compilers theory creation. The separation between the algorithms used in the backend and formal machine description, which encompasses knowledge about the target architecture, is an important feature, since it facilitates the creation of new backends without the need for deep understanding of the compiler project. For this reason, an effort to maintain the development natural, simple and intuitive must concentrate the knowledge of the target machine in a concise description in a way it is possible to specialize generic algorithms to this target. An architecture description language (ADL) allows the specification of architectural features of processors, comprising the instruction set architecture available. This work presents a study of mechanisms for generating compiler backend through architectural descriptions of processors, with emphasis on a case study of the ArchC ADL with the LLVM compiler. We developed an automatic backend generator prototype for LLVM backends based on ArchC and successfully generated backends for the architectures ARM, MIPS, PowerPC and SPARC. To achieve this, we used a search algorithm to solve the problem of automatic programming and to infer how to implement pre-selected fragments of LLVM intermediate language using instructions of an arbitrary target architecture. We present four techniques to increase the speed of this algorithm which not only enables a solution for the automatic generation of backends, but also completes the process in less than 20 seconds for three of four architectures tested. Test compilation of Mibench benchmark programs attested the proper functioning of the backend and revealed that the quality of the generated code can compare with that of existing compilers, if a peephole optimizer were used to perform some simple substitutions of inefficient sequencesMestradoCiência da ComputaçãoMestre em Ciência da Computaçã