温度敏感的片上存储系统研究

发布时间：2017-05-15 09:01

  本文关键词：温度敏感的片上存储系统研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：近年来,随着超大规模集成电路技术的发展,处理器的性能得到了显著提高。与此同时,嵌入式系统的设计者和应用者也面临着新的挑战：不断增加的系统功耗和不断上升的器件温度。高功耗增加了系统的使用成本,而高温度会影响系统的稳定性和可用性。电子器件的功耗和温度间存在着相互作用关系,不考虑温度效应只针对功耗单方面的优化往往不能达到最优的效果。嵌入式处理器中算术运算器和寄存器操作最为频繁,使用功耗较高,通常会成为芯片上局部温度最高的器件,一直以来是系统温度优化的重点。随着芯片特征尺寸的缩短,漏泄功耗在系统功耗中所占的比例越来越大,而温度上升更会导致漏泄功耗指数级增长。片上存储器由于集成度高、所占芯片面积大,是片上系统中漏泄功耗的主要来源。近来也有研究发现黑客利用存储器件温度管理的缺失,在短时间内迅速提高存储器温度,对芯片硬件造成损坏。因此,针对片上存储系统进行温度管理意义重大。 本文针对温度敏感的片上存储系统展开研究。片上存储系统是为了克服主存和处理器间速度不匹配而引入的,管理片上存储的功耗和温度都不应该牺牲其访问速度,因此本文将从访问时间和器件温度两方面对片上存储系统进行优化。现在嵌入式处理器中通常配备cache和SPM两种片上存储器件,本文以这种混合式片上存储系统为优化对象。为了在访问时间和器件温度两方面对存储系统进行优化,需要分析存储器件的类型、容量、功耗、面积和功耗密度等多方面的影响。探索设计空间的研究方法适合这种考虑因素多,变化情况复杂的系统优化问题。本文采用了存储架构选择和数据布局优化相结合的方法,针对不同应用程序选择最为合适的存储架构,并在程序运行时动态映射数据到cache和SPM。 本文提出了两种温度敏感的存储架构选择算法和一种温度敏感的数据分配算法。三种算法都以器件温度变化周期、器件存储容量为条件约束cache和SPM的连续工作时间,保证存储系统既能满足数据访问需求,也不会因为单一器件使用时间过长导致局部温度过热。为了选择出满足温度约束下目标程序执行时间最短的存储架构,本文设计了EBSCR算法。在该算法中,利用SPM访问速度快的特点,以SPM和cache连续工作时间的比例作为选择依据。SPM的相对工作时间越长,通过SPM访问的数据就越多,程序的执行时间越短。另一种存储架构选择算法EBRou,侧重于选择满足执行时间限制下器件温度最低的架构。通过对温度模型的分析,EBRou算法中以功耗密度作为决定器件温度的主要因素,选择程序运行期间平均功耗密度最低的存储架构。本文还提出了一种温度敏感的数据分配算法TADA,可以在目标程序运行过程中将数据动态映射到存储架构中,并通过交替使用cache和SPM,保证器件瞬时温度不会超过阈值。 为了评估存储架构选择算法和数据分配算法的性能,本文设计并开发了温度敏感的存储架构仿真平台。该平台中实现了本文提出的三种算法,并集成了体系结构仿真工具SimlpleScalar、温度仿真工具HotSpot、动态功耗仿真工具Wattch和漏泄功耗仿真工具HotLeakage等,能够从访问时间、器件温度和功耗等多方面对片上存储系统进行分析。实验结果表明,本文提出的算法可以有效地缩短程序执行时间,降低存储器件温度并减少存储器件漏泄功耗。
【关键词】：温度敏感 存储架构优化 数据分配 漏泄功耗
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TP333
【目录】：

• 摘要8-10
• ABSTRACT10-12
• 第一章 绪论12-16
• 1.1 课题研究背景及意义12-14
• 1.2 本文的主要工作14-15
• 1.3 本文的章节安排15-16
• 第二章 温度管理和存储优化相关工作分析16-24
• 2.1 温度检测与建模16-17
• 2.2 温度敏感的系统优化17-19
• 2.3 片上存储系统管理19-22
• 2.4 本章小结22-24
• 第三章 基本概念和模型24-30
• 3.1 功耗模型24
• 3.2 温度模型24-26
• 3.3 器件布局、芯片面积模型26-27
• 3.4 Cache、SPM访问模型27-29
• 3.5 本章小结29-30
• 第四章 温度敏感的存储架构选择和数据分配30-43
• 4.1 研究方法概述30-32
• 4.2 存储器件的温度变化周期32-34
• 4.3 侧重时间的存储架构选择34-36
• 4.4 侧重温度的存储架构选择36-40
• 4.5 温度敏感的数据分配40-42
• 4.6 本章小结42-43
• 第五章 实验结果及分析43-54
• 5.1 实验方法与实验框架43-46
• 5.2 基准测试程序和评估指标46-47
• 5.3 实验结果与分析47-53
• 5.4 本章小结53-54
• 第六章 结论与展望54-56
• 参考文献56-63
• 致谢63-64
• 攻读学位期间发表的主要学术论文64-65
• 攻读学位期间参与科研项目及获奖情况65-66
• 学位论文评闽及答辩情况表66

【共引文献】

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本文编号：367302