基于ScratchPad Memory的嵌入式系统优化研究

发布时间：2020-10-24 15:21

　　 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。
【学位单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2008
【中图分类】：TP368.12
【部分图文】：

大学博士学位论文2实验环境第7章实验结果与分析1单核处理器硬件实验平台实验的硬件平台是基于ARM核心的intelXScale体系结构的处理器。XScaie系结构是为移动嵌入式设备设计的SOC处理器。它的指令集是基于ARM体系VSTE指令集并由玩tel加入了无线和多媒体的相关指令。XScale适合于体积小、耗低、成本和性能要求高的嵌入式应用环境，是典型的嵌入式处理器。图7.2Xscale体系结构中27x系列的处理器框图。

OKB16KB32KB64KB128KB192KB256KB平均图7.4进程切换优化实验结果图7.4是对进程切换优化的效果比较。图7.4(a)比较了在进行优化后，进程切换时间的变化，平均的切换时间减少了20.34%(cache关闭)和25.89%(cache开启)。在图7.4中，采用了进程切换的优化后，进程切换时间缩短。随着SeratchPadMelnory容量增加，进程切换时间进一步缩小。当 scratchPadMelnory的容量增加到一定程度时，由于所有可优化的存储访问都已经在 scratchPadMemory当中，此时优化的效果就不再变化。在图7.4(a)中表现为 ScratchPadMemory的大小在192拙和256KB时，优化效果是相同的。

就不再进一步的变化。当采用了嵌入式操作系统的微内核优化后，对运行时间和能耗做了比较，如图7.5。(a)微内核优化的运行时间比较100%80%60%40%20%0%100%80%60%40%20%O% OKB16KB32KB64KB128KB192KB256KB平均(b)微内核优化的能耗比较 OKB16KB32KB 64KB128KB192KB256KB平均图7.5微内核优化实验结果由于在 ScratchPadMelnory容量较小时，无法容纳全部的微内核构件，因此，一些存储访问仍然需要对内存进行操作，这些内存访问的延迟时间长、能耗也较高。因此，尽管对嵌入式操作系统微内核化并进行 scratchPadMelnory分配后，当 ScratchPadMelnory的容量较小时，优化效果不明显;而当 scratchpadMelnory容量增大后，优化效果突出(192KB和256KB时，无论运行时间还是能耗，均可以达到40%以上的优化效果)。而平均的优化效果则由于scratchl
【引证文献】

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1 蒋湘涛;编译期SPM管理方法及功耗模型研究[D];中南大学;2009年

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1 崔晓英;基于FPGA的硬件实时操作系统设计[D];哈尔滨理工大学;2010年

2 林恺迪;基于ARM9的机床数控系统主控制器的研究[D];华南理工大学;2011年

3 王恒伟;嵌入式视频解码器运动补偿过程的数据布局优化[D];华中科技大学;2011年

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5 贾小梨;实时操作系统内核研究及中断管理的硬件实现[D];哈尔滨理工大学;2011年

6 袁名举;基于ScratchPad Memory的低功耗技术研究[D];中南大学;2010年

本文编号：2854630