基于WCET分析的低功耗技术研究

论文摘要

随着计算机系统的深入发展,低功耗技术受到日益广泛的关注。实时系统的功耗优化是重要的低功耗研究领域,动态电压调节技术是有效的低功耗优化手段之一。基于WCET(Worst Case Execution Time)分析的结果,在操作系统或者编译器等软件的辅助下,实时动态电压调节利用程序运行时间的动态变化,有效地节省了实时系统的能量消耗。本文重点基于静态WCET分析方法预测程序的最差执行时间,改善系统的能量使用效率。静态WCET分析技术是实时动态电压调节的基础,实时动态电压调节是WCET分析在低功耗优化领域的重要应用。本文首先研究了两种WCET分析方法(基于控制流图的WCET分析方法和基于语法树的WCET分析方法),加深了对静态WCET分析的理解。然后,提出了一种基于WCET分析的低功耗优化算法。该算法在编译器的帮助下,在条件语句,循环语句等影响程序实际执行时间的控制语句结构中设置电压调节点,插入电压调节代码,从而最大限度的利用了程序运行时的空闲时间,达到了降低系统功耗的效果。最后,基于对WCET分析研究现状的分析,详细的剖析了两种不同的WCET分析工具Cinderella和HEPTANE,比较了两种工具的特性。通过对这两种工具的分析,选择HEPTANE工具作为计时系统,开发了一个实时系统低功耗模拟环境RTLPower。我们在RTLPower实验环境中对之前提出的算法进行了测试,结果表明该算法减少了近50%的能量消耗。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.1.1 WCET 分析
• 1.1.2 动态电压调节
• 1.2 课题意义
• 1.3 研究现状
• 1.3.1 WCET 分析的研究现状
• 1.3.2 动态电压调节的研究现状
• 1.4 创新点和研究内容
• 1.5 论文结构
• 第二章 基于控制流图的WCET 分析方法
• 2.1 整数线性规划描述
• 2.2 程序的表示方法
• 2.2.1 调用图
• 2.2.2 控制流图
• 2.2.3 Cache 冲突图
• 2.3 程序的结构约束
• 2.4 程序的功能约束
• 2.5 Cache 约束
• 2.6 小结
• 第三章 基于语法树的WCET 分析方法
• 3.1 对程序语言的限制
• 3.2 语法树
• 3.3 每一个基本块的WCET 评估
• 3.3.1 嵌套循环的表示
• 3.3.2 对指令Cache 的模拟
• 3.3.3 基本块WCET 的评估
• 3.4 整个程序的WCET 评估
• 3.5 小结
• 第四章 基于WCET 分析的低功耗优化算法
• 4.1 算法描述
• 4.1.1 初始频率的设定
• 4.1.2 电压调节点的选取和频率设定
• 4.1.2.1 条件语句
• 4.1.2.2 循环语句
• 4.1.3 RWEC 的计算
• 4.1.3.1 循环内的RWEC 计算
• 4.1.3.2 函数调用中的RWEC 计算
• 4.2 小结
• 第五章 低功耗优化实验环境RTLPower 的设计与实现
• 5.1 WCET 分析工具Cinderella
• 5.1.1 Cinderella 工具的后端
• 5.1.1.1 后端的任务
• 5.1.1.2 后端的实现
• 5.1.2 Cinderella 工具的核心
• 5.2 WCET 分析工具HEPTANE
• 5.2.1 配置文件
• 5.2.2 ctool 分析
• 5.2.3 salto 工具
• 5.2.3.1 工具的组成
• 5.2.3.2 工具中使用的数据结构
• 5.2.3.3 目标系统描述
• 5.2.3.4 用户接口
• 5.2.4 HEPTANE 工具的核心
• 5.2.5 Maxima 工具
• 5.3 两种WCET 分析工具的比较
• 5.4 对HEPTANE 工具的改进
• 5.4.1 动态电压调节代码的自动插入
• 5.4.2 RWEC 计算方法的实现
• 5.5 对Sim-Panalyzer 性能能量模拟器的改进
• 5.6 低功耗优化实验环境RTLPower 的建立
• 5.7 模拟实验结果
• 5.8 小结
• 第六章 结束语
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的论文
• 参考文献