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\chapter{绪论}\label{sec:intro}

本章首先介绍论文的选题背景，然后介绍论文的研究平台和环境，最后介绍论文的组织结构。

\section{选题背景与研究意义}

现代微处理器使用了超标量流水线、乱序执行等设计，通过利用程序内的指令级
并行性，掩盖指令的延迟的方法，提高处理器的指令执行效率。乱序执行是处理
器对指令进行动态调度的技术，它允许一条指令在满足数据依赖后即可进入执行
单元执行，而无需等待程序序列之前的指令。超标量处理器设计多条执行流水线，
使得处理器每一周期可以执行多条指令。由于程序中大量出现转移指令，计算转
移方向和目标之前可能有较长延迟，影响流水线的利用率，因此处理器使用了转
移预测和推测式执行技术。处理器可以根据转移预测得出的分支方向和转移目标，
从预测的目标地址处或取指令并执行。

由于处理器在执行程序的过程中，处理器可能接收外部中断，指令执行可能产生
异常，因此乱序执行的处理器使用一个称为重排序缓冲的队列，按程序序列保存
流水线中的指令，在产生中断或异常后，将产生异常的指令及其之后执行的指令
产生的效果撤销。在使用推测式执行的处理器中，处理器在预测错误时，由该预
测产生的推测式执行的指令，也需要类似的错误恢复机制撤销。处理器中的错误
恢复机制使得处理器在体系结构层次上的状态保持正确，从而程序正确运行。

2018年公布的 Meltdown\supercite{meltdown} 和
Spectre\supercite{spectre} 攻击使人们发现，虽然处理器在执行指令产生异
常，或推测式执行错误后，通过恢复可以使体系结构层次上的状态保持正确，但
是这些错误执行的指令在微体系结构中产生了副作用，并且可能泄露系统中的秘密数
据，破坏了系统的安全。从 Meltdown 和 Spectre 被发现之后，Intel、AMD、
ARM等处理器设计厂商，和Google、Microsoft等软件厂商，均提出了软件补丁或
处理器微码更新，用于减轻 Meltdown 和 Spectre 的威胁。Intel 在后续的处
理器中，也在硬件上对一些攻击做出了防御。\supercite{intel-9900k}

已有的基于软件的解决方法，存在性能开销大，防御的攻击种类单一等缺点。因
此也有研究，尝试通过微体系结构的设计，低开销地防御 Meltdown 和 Spectre 攻
击。本文的目标是设计并实现一种微体系结构，防御 Spectre 攻击。

\section{研究平台与环境}

本文使用 gem5 模拟器\supercite{gem5}作为研究平台。

gem5 是一个模拟平台，由 GEMS\supercite{gems} 和 M5\supercite{m5} 两个
模拟器项目合并而成，同时具有这两个模拟器的优点。M5 提供了一个可配置的
框架，支持多种指令系统和多种 CPU模型，GEMS 则提供了一个详细而灵活的存
储系统，支持多种缓存一致性模型和互联模型。gem5 支持 X86, ARM, Alpha,
MIPS, RISC-V 等指令系统。作为一个开源的模拟器，学术界和工业界都为 gem5
的开发做出贡献，使得 gem5 称为体系结构研究中最流行的模拟器之一。

gem5 的灵活性使得研究者可以根据需要选择不同的系统模型，取得模拟速度和精
度的平衡。gem5 支持以下模型的配置：

\begin{itemize}
\item CPU 模型：gem5 支持四种不同的 CPU 模型。AtomicSimpleCPU 模拟一个
  单周期处理器，模拟速度最快。TimingSimpleCPU 在此之上增加对存储访问时
  间的模拟。O3CPU 则是一个详细的乱序执行处理器模型。
\item 系统模式：gem5 可以用系统调用模拟（SE）和全系统（FS）两种模式进
  行模拟，前者模拟大多数的系统调用，无需对操作系统和设备进行模拟，而后
  者则模拟了操作系统和设备，同时执行用户态和内核态的指令。
\item 存储系统：gem5 包含两种存储系统模型，来自 M5 的 Classic 模型容易
  配置且模拟速度快，而来自 GEMS 的 Ruby 模型则提供了一个可以精确模拟缓
  存一致性模型的存储系统模拟框架。
\end{itemize}

gem5 模拟器使用 C++ 编写，并集成了 Python，模拟器的核心功能由 C++ 实现，
而 Python 用于初始化、配置和控制模拟器。为了支持多种指令系统和缓存一致
性协议，gem5 分别使用了两种领域专用语言，指令系统描述语言
和 SLICC 在gem5 构建时转为 C++ 代码并编译，生成指令系统和缓存一致性协议
的模型代码。

最新的 gem5 还支持功耗的模拟，和 SystemC 协同模拟，同构和异构多核模拟
等特性。

\section{论文组织结构}

本文的组织结构如下：

第一章~\nameref{sec:intro}。阐述本文的选题背景和研究意义、研究平台与环境，并简述论文
的组织结构。

第二章~\nameref{sec:attack}。分析已经发现的 Meltdown 和
Spectre 攻击的各个变体。

第三章~\nameref{sec:defense}。对已经提出的 Meltdown 和
Spectre 攻击的软硬件防御进行分析。

第四章~\nameref{sec:mywork}。提出本文所设计的防御
Spectre 攻击的方法，并描述在 gem5 模拟器上的实现。

第五章~\nameref{sec:eval}。对本文设计的 Spectre 防御方案，进行安全性的
验证和性能分析。

第六章~\nameref{sec:conclusion}。总结本文的主要工作和研究意义，并对未来工作进行展望。

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