編譯期SPM管理方法及功耗模型研究.pdf

1、隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展,嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國防電子、數(shù)字家庭、工業(yè)自動化、汽車電子、醫(yī)學(xué)科技、消費(fèi)電子、無線通訊、電力系統(tǒng)等國民經(jīng)濟(jì)的主要行業(yè)。在高速發(fā)展過程中,對嵌入式系統(tǒng)的尺寸、工作時(shí)間、穩(wěn)定性提出了更高的要求,而能耗問題是影響上述指標(biāo)的主要瓶頸之一。為了解決嵌入式系統(tǒng)能耗不斷增長的問題,出現(xiàn)了使用SPM(Scratchpad Memory)替代Cache的設(shè)計(jì)趨勢。本文圍繞這一主題,重點(diǎn)研究與降低存儲子系統(tǒng)能耗和提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)性

2、能密切相關(guān)的編譯期SPM管理方法與相關(guān)技術(shù)。
　　 論文的主要工作包括:
　　 (1)提出了一種基于電路實(shí)際活躍度的體系結(jié)構(gòu)級SPM動態(tài)功耗模型。
　　 現(xiàn)有功耗模型僅提供SPM的平均訪問功耗值,不能反映程序?qū)嶋H輸入輸出值以及SPM內(nèi)容布局對電路動態(tài)功耗的影響,限制了降低SPM操作能耗的優(yōu)化效果。針對該問題,本文通過從性能模擬器獲取程序運(yùn)行時(shí)的電路翻轉(zhuǎn)情況,計(jì)算電路實(shí)際活躍度值,提出了一種基于電路實(shí)際活躍度的體系

3、結(jié)構(gòu)級SPM動態(tài)功耗模型。該模型有效地反映了電路功耗隨電路活躍度變化的特征,有助于指導(dǎo)編譯器通過采取合適的優(yōu)化技術(shù)降低程序運(yùn)行時(shí)電路活躍度來減少電路功耗,提高對SPM的功耗優(yōu)化效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,僅通過改變地址編碼方式來降低SPM地址解碼器電路活躍度的方法,即可將部分程序運(yùn)行時(shí)功耗降低9％左右。
　　 (2)在低功耗動態(tài)SPM管理方法研究中,提出了降低程序運(yùn)行時(shí)存儲需求的存儲空間合并操作方法；提出了一種新的能有效降低SPM動態(tài)管

4、理代價(jià)的優(yōu)化置換候選集計(jì)算方法；提出了降低SPM電路活躍度的SPM布局優(yōu)化方法。
　　 首先,針對如何降低程序運(yùn)行時(shí)對存儲空間需求的關(guān)鍵問題,提出了基于調(diào)用鏈關(guān)聯(lián)分析的函數(shù)局部變量存儲空間合并的方法。對于彼此間不存在調(diào)用鏈關(guān)聯(lián)的函數(shù)內(nèi)局部變量,執(zhí)行共享全局存儲單元空間合并操作,該方法能有效減少程序運(yùn)行所需總的存儲空間,其中部分程序經(jīng)過優(yōu)化后其所需的存儲空間減小率高達(dá)69％,從而將單位存儲空間的平均訪問頻度提高到原來的3倍。

5、>　　 其次,針對已有避免SPM管理代碼失效的方法會導(dǎo)致較高管理代價(jià)以及存在使用限制的問題,提出了一種新的基于節(jié)點(diǎn)執(zhí)行序圖的節(jié)點(diǎn)動態(tài)置換候選集計(jì)算方法?；跀U(kuò)展流程圖來生成程序節(jié)點(diǎn)執(zhí)行序圖,選取圖中基本節(jié)點(diǎn)的入口和出口處兩個(gè)位置作為SPM與外存置換操作的插入點(diǎn),并按照節(jié)點(diǎn)在執(zhí)行序圖中的特征來計(jì)算其置換候選集。示例分析表明,該種結(jié)合對象生命周期以及執(zhí)行路徑上節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)關(guān)系的候選集計(jì)算方法能有效減少運(yùn)行時(shí)SPM與外存間的置換操作,而且不存在

6、其他的使用限制問題。
　　 最后,根據(jù)不同存儲對象在SPM中位置安排將影響其電路活躍度、進(jìn)而影響SPM操作能耗的事實(shí),提出了一種采用遺傳算法進(jìn)行SPM布局優(yōu)化的方法。該方法通過優(yōu)化存儲對象在SPM中的位置可以有效降低程序運(yùn)行時(shí)SPM的電路活躍度,從而提高能耗優(yōu)化效果。
　　 實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,當(dāng)SPM容量小于8KB時(shí),本文在SPM低功耗管理中提出的合并方法和置換候選集計(jì)算方法,能有效改善現(xiàn)有管理方法在SPM容量較小時(shí)優(yōu)化效果

7、不佳的問題。已有能耗優(yōu)化方法的功耗減少率僅為30％～40％,本文提出的方法其功耗減少率在此基礎(chǔ)上提高了7％～20％,部分程序的功耗減少率可以達(dá)到70％以上；采用遺傳算法來優(yōu)化存儲對象在SPM布局的方法,能進(jìn)一步將功耗節(jié)省率提高6％左右,而且其優(yōu)化效果總體上呈現(xiàn)出隨SPM容量增加而愈明顯的趨勢。
　　 (3)提出了一種基于禁忌搜索、面向程序WCET值優(yōu)化的SPM分配算法。
　　 嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性能優(yōu)化方法主要通過分析與

8、優(yōu)化程序最差情況執(zhí)行路徑的執(zhí)行時(shí)間來提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。現(xiàn)有方法往往忽略了程序最差情況執(zhí)行路徑動態(tài)變化的情況,致使過度優(yōu)化某些路徑而影響了全局優(yōu)化效果。針對上述問題,提出一種基于禁忌搜索策略的SPM分配算法。通過對“先計(jì)算程序WCET路徑,再選擇程序數(shù)據(jù)元素分配至SPM”的程序WCET。值優(yōu)化過程分析,并基于SPM分配結(jié)果集特征分析,構(gòu)造了能反映變量分配至SPM時(shí)對降低程序WCET值的期望值的效用函數(shù),利用該函數(shù)生成了分配算法中候選集的篩

9、選方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,結(jié)合合并函數(shù)部分局部數(shù)據(jù)變量共享存儲空間的方法,相比現(xiàn)有分配算法,本文提出的分配算法能取得更好的優(yōu)化效果,部分程序的WCET值優(yōu)化效果可提高5％左右。
　　 (4)基于SUIF系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了編譯期SPM管理的原型系統(tǒng)。
　　 通過對SUIF(Stanford University Intermediate Format)系統(tǒng)的擴(kuò)展,實(shí)現(xiàn)了編譯期SPM管理優(yōu)化的原型系統(tǒng),該系統(tǒng)可與原系統(tǒng)集成,實(shí)現(xiàn)成果共