国产处理器是国家信息产业的核心技术。国产处理器飞速发展使得二进制代码兼容问题成为学术研究的热点之一。动态二进制翻译技术是解决二进制代码兼容性的重要技术,而跨指令集系统虚拟机建立在动态二进制翻译技术上,为系统级的二进制代码兼容性提供解决方案。本文以解决龙芯应用中的二进制代码兼容性问题为背景,围绕跨指令集系统虚拟机和动态二进制翻译技术开展了多项工作。本文的主要工作与贡献有：1)提出了一种基于离线数据流分析的优化方法。该方法对实验数据采样并进行离线的数据流分析,为本文优化指明了方向。本方法对虚拟处理器的优化、并行虚拟处理器的实现和优化、内核化虚拟层的设计和优化进行策略选择,并取得了较好的效果。2)提出了基于龙芯平台的虚拟处理器的一系列优化方法并在龙芯平台上实现了若干种传统优化手段,这些方法和手段使得龙芯平台上虚拟处理器的性能取得显著提升。3)解决了龙芯平台上多核虚拟处理器中的存储顺序和模拟中断产生发送的实现等问题。为了解决上述问题,本文设计了函数级和指令级的原子操作解决方案,以及基于无锁队列和信号的模拟中断解决方案。实验证明,这些方案具有高可扩放性、高可移植性、高性能等优势。4)提出并实现了一种跨ISA内核化虚拟层方法。该方法解决了虚拟设备存在的性能不高、无法有效利用主机设备等问题。