嵌入式系統(tǒng)性能優(yōu)化若干問題研究.pdf

1、提高應(yīng)用的執(zhí)行效率、增強(qiáng)系統(tǒng)的安全性以及降低系統(tǒng)的能量開銷是嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)者追求的重要目標(biāo)。半導(dǎo)體技術(shù)和計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的快速發(fā)展，推動(dòng)了嵌入式系統(tǒng)硬件平臺(tái)性能的大幅提升。然而，為了更有效地提高應(yīng)用的執(zhí)行效率，還需要對(duì)嵌入式軟件進(jìn)行面向硬件體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。在嵌入式應(yīng)用日趨網(wǎng)絡(luò)化的背景下，嵌入式系統(tǒng)也面臨著巨大的安全威脅。對(duì)于構(gòu)建安全的嵌入式系統(tǒng)來說，如何取得安全性與實(shí)時(shí)性、能量開銷之間的平衡是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的課題。同時(shí)，隨著嵌入式移動(dòng)應(yīng)用

2、和微型嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展，降低系統(tǒng)的能量開銷已經(jīng)成為了嵌入式領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。本文主要對(duì)嵌入式系統(tǒng)性能優(yōu)化中的一些具體問題展開研究。首先，我們以優(yōu)化片上存儲(chǔ)器的使用效率為切入點(diǎn)，對(duì)面向新型處理器和存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)的軟件性能優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行了深入的研究。然后，研究了面向嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)的安全優(yōu)化問題。最后，以傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)為目標(biāo)平臺(tái)，對(duì)能量受限系統(tǒng)的安全擴(kuò)展問題進(jìn)行了研究。本文的主要貢獻(xiàn)有以下四個(gè)方面：
　　 ⑴研究了面向多處理器片上系統(tǒng)（M

3、PSoC）的變量劃分和任務(wù)調(diào)度算法。首先，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種循環(huán)數(shù)據(jù)流圖模型LDFG，以描述任務(wù)對(duì)變量的訪問以及循環(huán)迭代之間任務(wù)的依賴關(guān)系。然后，提出了基于變量訪問頻率的快速變量劃分算法HAFF。通過引入“潛在關(guān)鍵路徑”的概念，又提出了面向全局性能優(yōu)化的變量劃分算法GVP。最后，我們還設(shè)計(jì)了一種具有變量劃分功能的旋轉(zhuǎn)調(diào)度算法RSVP。該算法的優(yōu)越性在于，它能夠充分發(fā)揮MPSoC及其存儲(chǔ)子系統(tǒng)的并行性優(yōu)勢(shì)，從而大幅地提高了應(yīng)用的執(zhí)行效率。

4、r>　　 ⑵研究了面向多模塊存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)（Multi-module Memory）的代碼優(yōu)化問題。提出了一種基于整數(shù)線性規(guī)劃的優(yōu)化方法PEOS，解決了指令調(diào)度、變量劃分和存儲(chǔ)器工作模式設(shè)置等問題。該方法的優(yōu)越性在于，它可以使代碼的執(zhí)行效率或存儲(chǔ)器的能量開銷達(dá)到最優(yōu)。在研究PEOS方法的過程中，我們提出了兩個(gè)通用性的定理，解決了將“c=O iff r=0”和“c=O iff r=I”兩類非線性條件線性化的問題。同時(shí)，為了提高PEOS的實(shí)用

5、性，我們又提出了兩種加速PEOS求解的方法：調(diào)度窗口限定法和基于可變鄰域搜索的近似算法VNS-ILP。其中，調(diào)度窗口限定法能確保解的全局最優(yōu)性，而VNS-ILP能在很短的計(jì)算時(shí)間內(nèi)求得近似最優(yōu)解。
　　 ⑶研究了面向嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)的最優(yōu)安全策略生成方法。首先，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種安全相關(guān)的任務(wù)圖模型STG，它能同時(shí)描述任務(wù)的安全需求、任務(wù)間的依賴關(guān)系以及實(shí)時(shí)性約束。其次，對(duì)多種基礎(chǔ)安全算法的執(zhí)行效率和安全強(qiáng)度進(jìn)行了量化評(píng)估，并在此基礎(chǔ)

6、上建立了一種評(píng)價(jià)系統(tǒng)安全性的量化模型。然后，提出了一種基于ILP的最優(yōu)安全策略生成方法ILPOS。該方法的特點(diǎn)是能確保任務(wù)的實(shí)時(shí)可調(diào)度性和安全策略的最優(yōu)性。最后，針對(duì)單一路徑和樹形結(jié)構(gòu)的STG，提出了兩種多項(xiàng)式時(shí)間復(fù)雜度的最優(yōu)安全策略生成算法DPOS-path/tree。
　　 ⑷以傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)為目標(biāo)平臺(tái)，通過實(shí)驗(yàn)的方法研究了安全算法在能量受限系統(tǒng)中的應(yīng)用。首先，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種微功耗測(cè)量電路，并對(duì)多種安全算法在CrossBow