嵌入式系統(tǒng)中能量與時(shí)空性能優(yōu)化問題研究.pdf

1、由于很多嵌入式系統(tǒng)是主要由電池提供能量，存儲(chǔ)器的容量有限，且有實(shí)時(shí)性要求，因此，設(shè)計(jì)有效算法以優(yōu)化能耗、空間及時(shí)間性能對(duì)嵌入式系統(tǒng)至關(guān)重要。對(duì)以上幾個(gè)因素的優(yōu)化可以顯著提高系統(tǒng)性能。在這篇論文中，我們將探討對(duì)化以上這幾個(gè)因素的新技術(shù)和方法。特別地，對(duì)于能耗最優(yōu)化問題，我們提出兩種方法。第一種是基于在領(lǐng)域內(nèi)被廣泛研究的任務(wù)調(diào)度方法。我們從理論分析的角度研究了單處理器系統(tǒng)上任務(wù)調(diào)度的一種特殊情形，目標(biāo)是優(yōu)化處理器上消耗的能量。另一種減小能耗

2、的方法是通過在系統(tǒng)中使用一種新型存儲(chǔ)器一相變隨機(jī)存儲(chǔ)器(Phase Change Random Access Memory，PRAM)。與傳統(tǒng)的存儲(chǔ)器技術(shù)動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(Dynamic Random Access Memory，DRAM)相比，PRAM的優(yōu)點(diǎn)是優(yōu)異的能耗特性，缺點(diǎn)是寫操作次數(shù)有限。我們利用DRAM與PRAM組成混合存儲(chǔ)器，在此存儲(chǔ)器上研究了任務(wù)分配問題，目標(biāo)是優(yōu)化能耗和減少PRAM上的寫次數(shù)以延長(zhǎng)存儲(chǔ)器壽命。
　　

3、 為了優(yōu)化存儲(chǔ)器的時(shí)間和空間性能，我們研究了一種特別的嵌入式系統(tǒng)一流處理系統(tǒng)(Stream Processing System)。該系統(tǒng)在多媒體與科學(xué)計(jì)算中得到廣泛應(yīng)用。其中，流寄存器文件(Stream Register File，SRF)是系統(tǒng)中的關(guān)鍵資源。SRF的空間與數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間是影響系統(tǒng)性能的兩個(gè)重要因素。在這篇論文中，我們利用循環(huán)變換技術(shù)優(yōu)化這兩個(gè)因素以提高系統(tǒng)性能。
　　 本文主要關(guān)注嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的以下幾個(gè)熱點(diǎn)

4、問題：
　　 (1)利用任務(wù)調(diào)度的方法優(yōu)化處理器的能耗；
　　 (2)利用混合存儲(chǔ)器上的任務(wù)分配的方法優(yōu)化存儲(chǔ)器的能耗、空間以及延長(zhǎng)存儲(chǔ)器的壽命；
　　 (3)利用循環(huán)變換的方法優(yōu)化存儲(chǔ)器的時(shí)間與空間性能?，F(xiàn)將本文研究的這幾個(gè)問題以及所做的工作列舉如下：
　　 1、能耗問題已成為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中考慮的主要因素。在系統(tǒng)的眾多設(shè)備中，處理器通常消耗最多能量。在本文中，我們利用任務(wù)調(diào)度技術(shù)來優(yōu)化處理器所消耗的能

5、量。在該問題中，每個(gè)任務(wù)具有兩個(gè)屬性：n(n≥1)個(gè)活躍時(shí)間區(qū)間和一個(gè)工作量。任務(wù)可以在n個(gè)活躍時(shí)間區(qū)間內(nèi)被處理，要求在所有時(shí)間區(qū)間內(nèi)所作的工作量之和達(dá)到給定的工作量。任務(wù)遵循可搶占式的調(diào)度策略。處理器的處理速度可以為任意值，且能夠在兩個(gè)不同速度間進(jìn)行瞬時(shí)切換。在以前人們研究的多區(qū)間任務(wù)調(diào)度問題中，每個(gè)任務(wù)必須在其中某一個(gè)區(qū)間內(nèi)完成給定的工作量。若在該區(qū)間結(jié)束時(shí)未能完成，則之前所作的工作被視為無效，需要在以后的某個(gè)區(qū)間中重新開始做。本文

6、中，我們研究的問題與之前人們研究的有所不同：任務(wù)不必在其中一個(gè)時(shí)間區(qū)間內(nèi)完成，只要在其所有時(shí)間區(qū)間內(nèi)所作的工作量之和達(dá)到給定的工作量要求即可視為任務(wù)完成。目標(biāo)是找到一個(gè)可行的調(diào)度方案以最小化處理器的能耗。我們所作的工作是：提出了一個(gè)多項(xiàng)式時(shí)間算法，并證明了算法的最優(yōu)性。
　　 2、除處理器外，存儲(chǔ)器也是嵌入式系統(tǒng)中一個(gè)重要的耗能單元。對(duì)此，本文提出了優(yōu)化存儲(chǔ)器能耗的方案。我們考慮由DRAM與PRAM組成的混合存儲(chǔ)器中的任務(wù)分配問

7、題。由于PRAM具有極低的泄漏功率(leakage power)，故PRAM與傳統(tǒng)存儲(chǔ)器DRAM相比，功耗更低。但PRAM的缺點(diǎn)是寫操作次數(shù)有限且延遲較大。所研究的問題包含以下目標(biāo)：減小能耗，減少PRAM上的寫操作次數(shù)以延長(zhǎng)壽命，以及減少PRAM的空間需求。對(duì)此，我們提出了兩種解決方法：一種為整形線性規(guī)劃(Integer Linear Programming)，該方法可以得到問題的最優(yōu)解，但通常比較耗時(shí)。另一種方法為多項(xiàng)式時(shí)間復(fù)雜度的啟

8、發(fā)式算法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，與可以得到最優(yōu)解的ILP方法相比，所提出的啟發(fā)式算法能得到近似最優(yōu)解，但所需時(shí)間可以忽略不計(jì)。
　　 3、由于很多嵌入式系統(tǒng)通常具有實(shí)時(shí)性要求，且存儲(chǔ)器的容量有限，故在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，時(shí)間與空間性能是除能耗以外的兩個(gè)需要考慮的重要因素。在本文中，我們研究了一種特別的嵌入式系統(tǒng)一流處理系統(tǒng)(Stream Processing System)，該系統(tǒng)近年來被廣泛應(yīng)用于多媒體與科學(xué)計(jì)算等領(lǐng)域。其中，流寄存器文

9、件(Stream Register File，SRF)是系統(tǒng)中的關(guān)鍵資源，這是因?yàn)樗袛?shù)據(jù)需要置于SRF中才能被處理。SRF是一種非旁路(non-bypassing)的由軟件控制（software-managed）的片上(on-chip)存儲(chǔ)器。通常，其容量有限，且與主存之間的帶寬較小。因此，將程序由主存載入SRF中執(zhí)行時(shí)，對(duì)SRF的空間需求以及數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間成了影響系統(tǒng)性能的兩個(gè)重要因素。本文利用循環(huán)變換(loop transforma