本文關鍵詞：溫度敏感的片上存儲系統(tǒng)研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：近年來,隨著超大規(guī)模集成電路技術的發(fā)展,處理器的性能得到了顯著提高。與此同時,嵌入式系統(tǒng)的設計者和應用者也面臨著新的挑戰(zhàn)：不斷增加的系統(tǒng)功耗和不斷上升的器件溫度。高功耗增加了系統(tǒng)的使用成本,而高溫度會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可用性。電子器件的功耗和溫度間存在著相互作用關系,不考慮溫度效應只針對功耗單方面的優(yōu)化往往不能達到最優(yōu)的效果。嵌入式處理器中算術運算器和寄存器操作最為頻繁,使用功耗較高,通常會成為芯片上局部溫度最高的器件,一直以來是系統(tǒng)溫度優(yōu)化的重點。隨著芯片特征尺寸的縮短,漏泄功耗在系統(tǒng)功耗中所占的比例越來越大,而溫度上升更會導致漏泄功耗指數(shù)級增長。片上存儲器由于集成度高、所占芯片面積大,是片上系統(tǒng)中漏泄功耗的主要來源。近來也有研究發(fā)現(xiàn)黑客利用存儲器件溫度管理的缺失,在短時間內迅速提高存儲器溫度,對芯片硬件造成損壞。因此,針對片上存儲系統(tǒng)進行溫度管理意義重大。 本文針對溫度敏感的片上存儲系統(tǒng)展開研究。片上存儲系統(tǒng)是為了克服主存和處理器間速度不匹配而引入的,管理片上存儲的功耗和溫度都不應該犧牲其訪問速度,因此本文將從訪問時間和器件溫度兩方面對片上存儲系統(tǒng)進行優(yōu)化。現(xiàn)在嵌入式處理器中通常配備cache和SPM兩種片上存儲器件,本文以這種混合式片上存儲系統(tǒng)為優(yōu)化對象。為了在訪問時間和器件溫度兩方面對存儲系統(tǒng)進行優(yōu)化,需要分析存儲器件的類型、容量、功耗、面積和功耗密度等多方面的影響。探索設計空間的研究方法適合這種考慮因素多,變化情況復雜的系統(tǒng)優(yōu)化問題。本文采用了存儲架構選擇和數(shù)據(jù)布局優(yōu)化相結合的方法,針對不同應用程序選擇最為合適的存儲架構,并在程序運行時動態(tài)映射數(shù)據(jù)到cache和SPM。 本文提出了兩種溫度敏感的存儲架構選擇算法和一種溫度敏感的數(shù)據(jù)分配算法。三種算法都以器件溫度變化周期、器件存儲容量為條件約束cache和SPM的連續(xù)工作時間,保證存儲系統(tǒng)既能滿足數(shù)據(jù)訪問需求,也不會因為單一器件使用時間過長導致局部溫度過熱。為了選擇出滿足溫度約束下目標程序執(zhí)行時間最短的存儲架構,本文設計了EBSCR算法。在該算法中,利用SPM訪問速度快的特點,以SPM和cache連續(xù)工作時間的比例作為選擇依據(jù)。SPM的相對工作時間越長,通過SPM訪問的數(shù)據(jù)就越多,程序的執(zhí)行時間越短。另一種存儲架構選擇算法EBRou,側重于選擇滿足執(zhí)行時間限制下器件溫度最低的架構。通過對溫度模型的分析,EBRou算法中以功耗密度作為決定器件溫度的主要因素,選擇程序運行期間平均功耗密度最低的存儲架構。本文還提出了一種溫度敏感的數(shù)據(jù)分配算法TADA,可以在目標程序運行過程中將數(shù)據(jù)動態(tài)映射到存儲架構中,并通過交替使用cache和SPM,保證器件瞬時溫度不會超過閾值。 為了評估存儲架構選擇算法和數(shù)據(jù)分配算法的性能,本文設計并開發(fā)了溫度敏感的存儲架構仿真平臺。該平臺中實現(xiàn)了本文提出的三種算法,并集成了體系結構仿真工具SimlpleScalar、溫度仿真工具HotSpot、動態(tài)功耗仿真工具Wattch和漏泄功耗仿真工具HotLeakage等,能夠從訪問時間、器件溫度和功耗等多方面對片上存儲系統(tǒng)進行分析。實驗結果表明,本文提出的算法可以有效地縮短程序執(zhí)行時間,降低存儲器件溫度并減少存儲器件漏泄功耗。
【關鍵詞】：溫度敏感 存儲架構優(yōu)化 數(shù)據(jù)分配 漏泄功耗
【學位授予單位】：山東大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TP333
【目錄】：

• 摘要8-10
• ABSTRACT10-12
• 第一章 緒論12-16
• 1.1 課題研究背景及意義12-14
• 1.2 本文的主要工作14-15
• 1.3 本文的章節(jié)安排15-16
• 第二章 溫度管理和存儲優(yōu)化相關工作分析16-24
• 2.1 溫度檢測與建模16-17
• 2.2 溫度敏感的系統(tǒng)優(yōu)化17-19
• 2.3 片上存儲系統(tǒng)管理19-22
• 2.4 本章小結22-24
• 第三章 基本概念和模型24-30
• 3.1 功耗模型24
• 3.2 溫度模型24-26
• 3.3 器件布局、芯片面積模型26-27
• 3.4 Cache、SPM訪問模型27-29
• 3.5 本章小結29-30
• 第四章 溫度敏感的存儲架構選擇和數(shù)據(jù)分配30-43
• 4.1 研究方法概述30-32
• 4.2 存儲器件的溫度變化周期32-34
• 4.3 側重時間的存儲架構選擇34-36
• 4.4 側重溫度的存儲架構選擇36-40
• 4.5 溫度敏感的數(shù)據(jù)分配40-42
• 4.6 本章小結42-43
• 第五章 實驗結果及分析43-54
• 5.1 實驗方法與實驗框架43-46
• 5.2 基準測試程序和評估指標46-47
• 5.3 實驗結果與分析47-53
• 5.4 本章小結53-54
• 第六章 結論與展望54-56
• 參考文獻56-63
• 致謝63-64
• 攻讀學位期間發(fā)表的主要學術論文64-65
• 攻讀學位期間參與科研項目及獲獎情況65-66
• 學位論文評閩及答辯情況表66

【共引文獻】

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本文編號：367302