發(fā)布時(shí)間：2020-10-24 15:21

　　 嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展日新月異,其應(yīng)用也越來越廣泛。隨著嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的不斷深入,性能、實(shí)時(shí)陸與能耗等方面對(duì)于嵌入式系統(tǒng)的要求越來越高。嵌入式系統(tǒng)的軟硬件需要協(xié)同進(jìn)行高效率的設(shè)計(jì),以滿足應(yīng)用的需求。基于SoC與MPSoC的嵌入式系統(tǒng)研究的不斷深入,片上面積的利用效率越來越高,所集成的器件種類豐富,性能和容量也不斷提升。利用片上高性能器件來提升嵌入式系統(tǒng)的整體性能更是當(dāng)前嵌入式系統(tǒng)研究的重點(diǎn)之一。 由于片上可利用面積的增加,越來越多的嵌入式處理器將存儲(chǔ)器集成在片上,通過片上高速總線來進(jìn)行訪問。片上存儲(chǔ)器有利于縮小處理器核與內(nèi)存之間的訪問延遲,提高系統(tǒng)的整體性能。ScratchPad Memory是集成到芯片上的非cache用途的SRAM存儲(chǔ)器的統(tǒng)稱。通過軟件控制的方法,將代碼和數(shù)據(jù)存放在ScratchPad Memory中,提供給處理器使用。由于ScratchPad Memory具有軟件可控制、響應(yīng)速度快、占用片上面積小、能耗低的特點(diǎn),在嵌入式系統(tǒng)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。 本文關(guān)注ScratchPad Memory的有效使用,研究如何利用ScratchPad Memory進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)的優(yōu)化,對(duì)程序進(jìn)行加速,減少消耗在存儲(chǔ)器訪問上的時(shí)間,降低因存儲(chǔ)訪問帶來的能耗,從而提高嵌入式系統(tǒng)的整體性能。 本文主要在三個(gè)方面進(jìn)行了研究: (1)基于ScratchPad Memory的嵌入式操作系統(tǒng)優(yōu)化。通過對(duì)嵌入式操作系統(tǒng)中調(diào)度算法的改進(jìn),對(duì)嵌入式操作系統(tǒng)的進(jìn)程調(diào)度模塊進(jìn)行優(yōu)化,將進(jìn)程調(diào)度模塊分配到ScratchPad Memory上運(yùn)行;將嵌入式操作系統(tǒng)微內(nèi)核化,對(duì)微內(nèi)核實(shí)行構(gòu)件化,從而提高嵌入式操作系統(tǒng)的運(yùn)行效率。 (2)多道程序共享ScratchPad Memory的優(yōu)化。通過對(duì)嵌入式程序進(jìn)行分析,生成存儲(chǔ)對(duì)象。這些存儲(chǔ)對(duì)象在運(yùn)行時(shí),可以被調(diào)度到ScratchPad Memory上,利用ScratchPad Memory的特點(diǎn)加快程序的運(yùn)行速度,減少程序運(yùn)行時(shí)的能耗。 (3)提出了面向MPSoC體系結(jié)構(gòu)的ScratchPad Memory優(yōu)化。對(duì)于傳統(tǒng)的嵌入式程序,通過編譯分析析取存儲(chǔ)對(duì)象。通過操作系統(tǒng)專門的ScratchPadMemory管理器在多道程序之間進(jìn)行協(xié)同,達(dá)到多道程序共享ScratchPad Memory的目的。通過對(duì)程序的線程化,提高程序的并行性,同時(shí),由于線程流水,存儲(chǔ)對(duì)象將會(huì)相對(duì)穩(wěn)定的駐留在ScratchPad Memory上,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)程序運(yùn)行加速的目標(biāo)。 同時(shí),本文也通過實(shí)驗(yàn)對(duì)所提出的ScratchPad Memory方法進(jìn)行了驗(yàn)證和測(cè)試。這些優(yōu)化方法在研究中通過在嵌入式硬件平臺(tái)上和模擬平臺(tái)上的實(shí)驗(yàn)得到了驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,這些優(yōu)化能夠有效的提高嵌入式系統(tǒng)的性能,降低系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的能耗,優(yōu)化后系統(tǒng)性能提升在20%以上,能耗則減少25%以上。 本研究充分利用了ScratchPad Memory的特點(diǎn),設(shè)計(jì)了通過嵌入式操作系統(tǒng)、多道程序共享對(duì)嵌入式系統(tǒng)的優(yōu)化;探索了多核引入嵌入式系統(tǒng)環(huán)境后,基于ScratchPad Memory的優(yōu)化對(duì)多核嵌入式系統(tǒng)的整體性能優(yōu)化。本研究的工作能夠有效的通過基于ScratchPad Memory的優(yōu)化,提升嵌入式系統(tǒng)的整體性能,將推動(dòng)ScratchPad Memory在嵌入式系統(tǒng)中的進(jìn)一步研究和推廣。
【學(xué)位單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2008
【中圖分類】：TP368.12
【部分圖文】：

大學(xué)博士學(xué)位論文2實(shí)驗(yàn)環(huán)境第7章實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析1單核處理器硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)驗(yàn)的硬件平臺(tái)是基于ARM核心的intelXScale體系結(jié)構(gòu)的處理器。XScaie系結(jié)構(gòu)是為移動(dòng)嵌入式設(shè)備設(shè)計(jì)的SOC處理器。它的指令集是基于ARM體系VSTE指令集并由玩tel加入了無線和多媒體的相關(guān)指令。XScale適合于體積小、耗低、成本和性能要求高的嵌入式應(yīng)用環(huán)境，是典型的嵌入式處理器。圖7.2Xscale體系結(jié)構(gòu)中27x系列的處理器框圖。

OKB16KB32KB64KB128KB192KB256KB平均圖7.4進(jìn)程切換優(yōu)化實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖7.4是對(duì)進(jìn)程切換優(yōu)化的效果比較。圖7.4(a)比較了在進(jìn)行優(yōu)化后，進(jìn)程切換時(shí)間的變化，平均的切換時(shí)間減少了20.34%(cache關(guān)閉)和25.89%(cache開啟)。在圖7.4中，采用了進(jìn)程切換的優(yōu)化后，進(jìn)程切換時(shí)間縮短。隨著SeratchPadMelnory容量增加，進(jìn)程切換時(shí)間進(jìn)一步縮小。當(dāng) scratchPadMelnory的容量增加到一定程度時(shí)，由于所有可優(yōu)化的存儲(chǔ)訪問都已經(jīng)在 scratchPadMemory當(dāng)中，此時(shí)優(yōu)化的效果就不再變化。在圖7.4(a)中表現(xiàn)為 ScratchPadMemory的大小在192拙和256KB時(shí)，優(yōu)化效果是相同的。

就不再進(jìn)一步的變化。當(dāng)采用了嵌入式操作系統(tǒng)的微內(nèi)核優(yōu)化后，對(duì)運(yùn)行時(shí)間和能耗做了比較，如圖7.5。(a)微內(nèi)核優(yōu)化的運(yùn)行時(shí)間比較100%80%60%40%20%0%100%80%60%40%20%O% OKB16KB32KB64KB128KB192KB256KB平均(b)微內(nèi)核優(yōu)化的能耗比較 OKB16KB32KB 64KB128KB192KB256KB平均圖7.5微內(nèi)核優(yōu)化實(shí)驗(yàn)結(jié)果由于在 ScratchPadMelnory容量較小時(shí)，無法容納全部的微內(nèi)核構(gòu)件，因此，一些存儲(chǔ)訪問仍然需要對(duì)內(nèi)存進(jìn)行操作，這些內(nèi)存訪問的延遲時(shí)間長(zhǎng)、能耗也較高。因此，盡管對(duì)嵌入式操作系統(tǒng)微內(nèi)核化并進(jìn)行 scratchPadMelnory分配后，當(dāng) ScratchPadMelnory的容量較小時(shí)，優(yōu)化效果不明顯;而當(dāng) scratchpadMelnory容量增大后，優(yōu)化效果突出(192KB和256KB時(shí)，無論運(yùn)行時(shí)間還是能耗，均可以達(dá)到40%以上的優(yōu)化效果)。而平均的優(yōu)化效果則由于scratchl
【引證文獻(xiàn)】

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 蔣湘濤;編譯期SPM管理方法及功耗模型研究[D];中南大學(xué);2009年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前6條

1 崔曉英;基于FPGA的硬件實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D];哈爾濱理工大學(xué);2010年

2 林愷迪;基于ARM9的機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)主控制器的研究[D];華南理工大學(xué);2011年

3 王恒偉;嵌入式視頻解碼器運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償過程的數(shù)據(jù)布局優(yōu)化[D];華中科技大學(xué);2011年

4 曹竟宇;μC/OS-Ⅱ內(nèi)核分析及設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序框架設(shè)計(jì)[D];哈爾濱理工大學(xué);2011年

5 賈小梨;實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核研究及中斷管理的硬件實(shí)現(xiàn)[D];哈爾濱理工大學(xué);2011年

6 袁名舉;基于ScratchPad Memory的低功耗技術(shù)研究[D];中南大學(xué);2010年

本文編號(hào)：2854630