基于ScratchPad Memory的嵌入式系统优化研究

论文摘要

嵌入式系统的发展日新月异,其应用也越来越广泛。随着嵌入式系统应用的不断深入,性能、实时陸与能耗等方面对于嵌入式系统的要求越来越高。嵌入式系统的软硬件需要协同进行高效率的设计,以满足应用的需求。基于SoC与MPSoC的嵌入式系统研究的不断深入,片上面积的利用效率越来越高,所集成的器件种类丰富,性能和容量也不断提升。利用片上高性能器件来提升嵌入式系统的整体性能更是当前嵌入式系统研究的重点之一。由于片上可利用面积的增加,越来越多的嵌入式处理器将存储器集成在片上,通过片上高速总线来进行访问。片上存储器有利于缩小处理器核与内存之间的访问延迟,提高系统的整体性能。ScratchPad Memory是集成到芯片上的非cache用途的SRAM存储器的统称。通过软件控制的方法,将代码和数据存放在ScratchPad Memory中,提供给处理器使用。由于ScratchPad Memory具有软件可控制、响应速度快、占用片上面积小、能耗低的特点,在嵌入式系统中得到了越来越广泛的应用。本文关注ScratchPad Memory的有效使用,研究如何利用ScratchPad Memory进行嵌入式系统的优化,对程序进行加速,减少消耗在存储器访问上的时间,降低因存储访问带来的能耗,从而提高嵌入式系统的整体性能。本文主要在三个方面进行了研究:(1)基于ScratchPad Memory的嵌入式操作系统优化。通过对嵌入式操作系统中调度算法的改进,对嵌入式操作系统的进程调度模块进行优化,将进程调度模块分配到ScratchPad Memory上运行;将嵌入式操作系统微内核化,对微内核实行构件化,从而提高嵌入式操作系统的运行效率。(2)多道程序共享ScratchPad Memory的优化。通过对嵌入式程序进行分析,生成存储对象。这些存储对象在运行时,可以被调度到ScratchPad Memory上,利用ScratchPad Memory的特点加快程序的运行速度,减少程序运行时的能耗。(3)提出了面向MPSoC体系结构的ScratchPad Memory优化。对于传统的嵌入式程序,通过编译分析析取存储对象。通过操作系统专门的ScratchPadMemory管理器在多道程序之间进行协同,达到多道程序共享ScratchPad Memory的目的。通过对程序的线程化,提高程序的并行性,同时,由于线程流水,存储对象将会相对稳定的驻留在ScratchPad Memory上,从而实现对程序运行加速的目标。同时,本文也通过实验对所提出的ScratchPad Memory方法进行了验证和测试。这些优化方法在研究中通过在嵌入式硬件平台上和模拟平台上的实验得到了验证。实验结果表明,这些优化能够有效的提高嵌入式系统的性能,降低系统运行时的能耗,优化后系统性能提升在20%以上,能耗则减少25%以上。本研究充分利用了ScratchPad Memory的特点,设计了通过嵌入式操作系统、多道程序共享对嵌入式系统的优化;探索了多核引入嵌入式系统环境后,基于ScratchPad Memory的优化对多核嵌入式系统的整体性能优化。本研究的工作能够有效的通过基于ScratchPad Memory的优化,提升嵌入式系统的整体性能,将推动ScratchPad Memory在嵌入式系统中的进一步研究和推广。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.1.1 嵌入式系统的发展
• 1.1.2 SoC的发展
• 1.1.3 嵌入式系统中的片上存储器
• 1.2 本文的研究动机
• 1.3 本文的主要工作
• 1.4 本文的组织结构
• 1.5 本章小结
• 第2章 基于ScratchPad Memory的优化综述
• 2.1 ScratchPad Memory概述
• 2.1.1 ScratchPad Memory的特征
• 2.1.2 集成ScratchPad Memory的单核处理器结构
• 2.1.3 集成ScratchPad Memory的MPSoC处理器的结构
• 2.1.4 ScratchPad Memory研究热点
• 2.2 不可重叠的ScratchPad Memory优化方法
• 2.3 可重叠的ScratchPad Memory优化
• 2.4 数组划分和循环变换的优化方法
• 2.5 面向MPSoC的优化方法
• 2.6 目前研究所存在的问题
• 2.7 本章小结
• 第3章 基于ScratchPad Memory的嵌入式系统优化研究框架
• 3.1 整体研究框架
• 3.2 研究内容概述
• 3.2.1 嵌入式操作系统优化
• 3.2.2 多道程序共享优化
• 3.2.3 面向MPSoC的优化
• 3.3 本章小结
• 第4章 嵌入式操作系统优化方法
• 4.1 操作系统调度算法优化
• 4.1.1 任务模型
• 4.1.2 资源模型
• 4.1.3 任务分组与组内调度
• 4.1.4 调度算法优化
• 4.2 进程调度模块优化
• 4.2.1 进程调度代码与数据的组织
• 4.2.2 ScratchPad Memory的空间划分
• 4.2.3 进程调度模块的重分配
• 4.3 嵌入式操作系统的优化
• 4.3.1 片上微内核
• 4.3.2 资源封装
• 4.3.3 微内核构件化
• 4.4 本章小结
• 第5章 多道程序共享优化方法
• 5.1 多道程序共享方式
• 5.2 程序的编译分析
• 5.2.1 分析流程
• 5.2.2 控制流图分析
• 5.2.3 存储对象生成
• 5.3 ScratchPad Memory的管理
• 5.3.1 虚实地址映射
• 5.3.2 ScratchPad Memory的存储组织
• 5.3.3 ScratchPad Memory运行时管理
• 5.4 本章小结
• 第6章 面向MPSoC的优化方法
• 6.1 MPSoC的ScratchPad Memory组织
• 6.1.1 处理器核组的划分
• 6.1.2 ScratchPad Memory的组织
• 6.2 多道程序共享MPSoC的ScratchPad Memory
• 6.2.1 程序的编译分析
• 6.2.2 核组调度与分配
• 6.2.3 ScratchPad Memory管理
• 6.3 共享Scratchpad Memory的线程调度优化
• 6.3.1 程序的多线程改进
• 6.3.2 ScratchPad Memory的多线程优化
• 6.4 本章小结
• 第7章 实验结果与分析
• 7.1 实验内容
• 7.2 实验环境
• 7.2.1 单核处理器硬件实验平台
• 7.2.2 多核模拟平台
• 7.2.3 软件环境与测试程序
• 7.3 面向单核处理器的优化实验结果与分析
• 7.3.1 嵌入式操作系统优化
• 7.3.2 多道程序共享优化
• 7.3.3 综合优化
• 7.4 面向MPSoC的优化实验结果与分析
• 7.4.1 多道程序共享优化
• 7.4.2 多线程优化
• 7.4.3 综合优化
• 7.5 本章小结
• 第8章 总结与展望
• 8.1 总结
• 8.2 展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间主要的研究成果
• 致谢
• 作者简历