嵌入式系統(tǒng)的片上SRAM編譯優(yōu)化研究.pdf

1、嵌入式系統(tǒng)是以應用為核心的計算機系統(tǒng)，是計算機市場中增長最快的領(lǐng)域。嵌入式系統(tǒng)一般采用片上高速靜態(tài)隨機訪問存儲器SRAM(Static Random Access Memory)與片外低速動態(tài)隨機訪問存儲器DRAM(Dynamic Random Access Memory)相結(jié)合的層次化結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)存儲速度、容量、成本三方面的均衡。片上高速SRAM分為硬件管理的Cache和軟件管理的SPM(Scratch pad Memory)兩種類型，

2、SPM在器件能耗、硅片面積、實時性保證等方面具有明顯優(yōu)勢，已逐步取代Cache成為嵌入式系統(tǒng)中最重要的片上存儲器。
　　 SPM由編譯器負責管理，編譯器決定了SPM數(shù)據(jù)分配與空間管理、SPM與片外DRAM之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)荣Y源安排調(diào)度。嵌入式系統(tǒng)不斷擴大的應用領(lǐng)域和持續(xù)增長的SPM優(yōu)化需求對管理SPM的編譯技術(shù)提出了巨大的挑戰(zhàn)，基于編譯指導的存儲空間利用、運行時間效能、器件功耗等課題已成為當前SPM領(lǐng)域的研究熱點。
　　 本

3、文以嵌入式程序中最占用運行時間及能量消耗的循環(huán)結(jié)構(gòu)為研究對象，研究了提高空間利用率和運行時間性能、降低功耗三個方面的SPM編譯優(yōu)化問題。創(chuàng)新性工作和貢獻概述如下：
　　 (1)提出了基于存儲器訪問模式的空間復用編譯優(yōu)化技術(shù)。
　　 SPM是容量受限的片上高速緩存器件，本文重點研究了SPM空間受限情況下的編譯優(yōu)化技術(shù)，首次提出基于存儲器訪問模式的SPM空間復用編譯優(yōu)化方法。根據(jù)循環(huán)迭代內(nèi)部數(shù)組的存儲器訪問模式，確定可互相復

4、用SPM空間的數(shù)組。只為循環(huán)迭代中部分數(shù)組分配SPM空間，其它數(shù)組與已分配空間的數(shù)組進行空間復用。循環(huán)迭代內(nèi)部數(shù)組之間采用SPM空間復用優(yōu)化之后，每個循環(huán)迭代所占用的SPM空間減少，既定容量的SPM就可為更多個數(shù)的循環(huán)迭代提供數(shù)據(jù)空間。
　　 (2)提出了基于存儲器訪問模式的數(shù)據(jù)流水編譯優(yōu)化技術(shù)。
　　 本文首次提出了編譯指導的數(shù)據(jù)流水優(yōu)化管理方法，有效減少數(shù)據(jù)傳輸冗余操作，提升嵌入式系統(tǒng)運行時間性能。本方法將片上SPM

5、邏輯上劃分為兩個相等的部分，實現(xiàn)CPU數(shù)據(jù)處理和DMA數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟⑿辛魉僮?。同時，通過對循環(huán)迭代內(nèi)部數(shù)據(jù)的存儲器訪問模式分析，如果某數(shù)組相關(guān)操作數(shù)據(jù)由本次或之前循環(huán)迭代計算產(chǎn)生，DMA就不用從片外存儲器往SPM裝載該數(shù)組的元素。通過在編譯器插入數(shù)據(jù)傳輸指令之前進行冗余檢查，避免冗余數(shù)據(jù)裝載到SPM，減少了數(shù)據(jù)傳輸代價。
　　 (3)提出了基于電壓頻率調(diào)整的功耗節(jié)省編譯優(yōu)化技術(shù)。
　　 本文研究了編譯指導的SPM嵌入式系

6、統(tǒng)的功耗節(jié)省優(yōu)化問題，首次提出基于動態(tài)電壓頻率調(diào)整DVFS(Dynamic Voltage andFrequency Scaling)的SPM功耗管理方法。主要思想是利用CPU數(shù)據(jù)處理和DMA數(shù)據(jù)傳輸這兩種操作的時間性能不平衡性，兩者之間的運行時間性能差為實現(xiàn)動態(tài)電壓頻率調(diào)整創(chuàng)造了機會。通過檢測CPU數(shù)據(jù)處理和DMA數(shù)據(jù)傳輸之間的時間隙，插入適當?shù)哪Ｊ皆O置指令，使用單一調(diào)整和動態(tài)調(diào)整兩種方式降低CPU的供電電壓和時鐘頻率。在保證系統(tǒng)運行