發(fā)展以CPU 和操作系統(tǒng)為核心的自主軟硬件已經(jīng)成為中國的國家戰(zhàn)略。 經(jīng)過自“十五” 以來的十余年努力， 以“龍芯”、“飛騰”、“申威” 為代表的中國自主CPU 研發(fā)取得了長足的進展， 部分設(shè)計技術(shù)達到了世界先進水平， 并在實際應(yīng)用方面取得了若干突破， 出現(xiàn)了良好的發(fā)展勢頭。 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)問題變得越來越突出。 雖然自主CPU 都在不同程度上采取了與國外CPU 兼容的技術(shù)路線， 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)方面還處在很初級的水平， 嚴重制約了自主CPU 的產(chǎn)業(yè)化。

　　二進制翻譯技術(shù)是實現(xiàn)跨指令系統(tǒng)兼容的重要手段。 二進制翻譯技術(shù)在宿主機（host） 上用軟件模擬出一個目標機/客戶機（guest） 指令系統(tǒng)兼容的CPU 來， 從而在宿主機上執(zhí)行客戶機的二進制代碼， 達到兼容的目的。 如在MIPS 計算機上模擬X86 指令系統(tǒng)， 從而實現(xiàn)與X86 兼容。 二進制翻譯的最大問題是效率問題， 用軟件模擬的CPU 比硬件直接實現(xiàn)的CPU 慢很多。 如在MIPS 計算機上使用二進制翻譯的方法運行X86 二進制程序， 比起把該程序直接從源代碼編譯成MIPS 指令并在MIPS計算機上執(zhí)行， 運行速度一般有數(shù)量級的差異。

　　通過硬件支持和軟硬件協(xié)同可以有效提高二進制翻譯的效率。 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， 可以通過指令組合實現(xiàn)各種復(fù)雜的功能， 但指令的具體定義不同， 翻譯起來就會走彎路。 例如， X86 的每條運算指令都要產(chǎn)生EFLAG 標志位， 如果用MIPS 指令來模擬產(chǎn)生EFLAG 標志， 至少需要幾十條指令， 如果在MIPS 中增加專門產(chǎn)生EFLAG 的指令， 則翻譯起來就可以做到一一對應(yīng)。 又如， 訪存指令都需要進行虛實地址轉(zhuǎn)換， 從X86 到MIPS 的二進制翻譯中， 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)換過程如果由軟件實現(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， 徹底消除虛實地址轉(zhuǎn)換的開銷。

　　龍芯CPU 在兼容MIPS 指令系統(tǒng)的基礎(chǔ)上通過MIPS 指令系統(tǒng)的UDI （user defined interface）進行擴充， 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 的二進制到龍芯CPU 的二進制翻譯更加方便。 通過軟硬結(jié)合的二進制翻譯， 在龍芯CPU 上流暢運行X86 和ARM 的主流系統(tǒng)及應(yīng)用， 以彌補MIPS 架構(gòu)軟件生態(tài)的不足。 具體地說：（1） 在Linux 操作系統(tǒng)上進行從X86 到LoongISA 的系統(tǒng)級二進制翻譯， 以運行MS Windows 系統(tǒng)及其應(yīng)用。 （2） 在Linux 操作系統(tǒng)上進行從X86 到LoongISA 的應(yīng)用級二進制翻譯， 以運行基于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)庫沒有開源版本， 需要建立基于Linux 的從X86 到LoongISA 的二進制翻譯。 （3） 在Android 操作系統(tǒng)上進行從ARM 到LoongISA 的應(yīng)用級二進制翻譯， 以運行基于Android的ARM 二進制應(yīng)用。 Android 系統(tǒng)支持MIPS 指令集， 且其多數(shù)應(yīng)用是基于Dalvik 虛擬機的， 在MIPS 系統(tǒng)上運行沒有障礙。 但有少量對性能要求較高的應(yīng)用中插入了ARM 二進制碼， 在MIPS 指令系統(tǒng)上無法直接運行， 因此需要建立從ARM 到LoongISA 的應(yīng)用級二進制翻譯。 龍芯CPU 與X86及ARM 兼容策略如圖1 所示。

　　龍芯二進制翻譯系統(tǒng)以LoongISA 指令集兼容不同形態(tài)的X86， ARM 指令集， 通過技術(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 平臺上， 不加區(qū)別地運行。 作為中間層的二進制翻譯器， 充分利用本地硬件支持最大化地提高模擬效率， 對上層應(yīng)用軟件提供目標指令集的虛擬運行環(huán)境。 不同二進制的應(yīng)用軟件與運行的硬件平臺之間不再具有決定關(guān)系， 用于支持軟件開發(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LoongISA 平臺提供軟件資源。 實驗結(jié)果表明， 龍芯軟硬結(jié)合的二進制翻譯技術(shù)可以成數(shù)量級地提高從X86/ARM 到MIPS 的二進制翻譯效率。

　　龍芯CPU 在兼容MIPS 指令系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進行擴充， 增加MIPS 中不具備但X86 和ARM 具備的、對二進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， 通過軟硬結(jié)合的二進制翻譯， 在龍芯CPU 上運行X86 和ARM 的主流系統(tǒng)及應(yīng)用， 以彌補MIPS 架構(gòu)軟件生態(tài)的不足。 實驗結(jié)果表明， 通過軟硬件協(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 平臺上， 不加區(qū)別地高效運行。