嵌入式系統(tǒng)中低功耗可重構(gòu)Cache的分析與研究.pdf

1、在最新的嵌入式處理器中，片上存儲器的功耗（主要是片上Cache）達到總功耗的50％左右。有效的降低這部分的功耗，對整個處理器芯片的低功耗設計有著重大的意義。然而，Cache的改變對系統(tǒng)功耗的影響是復雜的，需要整體考慮改變Cache結(jié)構(gòu)對整個存儲系統(tǒng)的影響。 本文嘗試從體系結(jié)構(gòu)方面來進行研究，以達到降低功耗的目的。 首先，本文分析了Cache的各個設計要素，針對低功耗的要求選取了兩個結(jié)構(gòu)參數(shù)(容量、相聯(lián)度)作為可重構(gòu)Cac

2、he的重構(gòu)參數(shù)，并且確立了本文采用的可重構(gòu)Cache的基本結(jié)構(gòu)。隨后根據(jù)當前的主流應用為該Cache設定了一個具有代表性的工作參考系統(tǒng)。使用SimpleScalar工具進行了仿真。 基于對國內(nèi)外相關(guān)文獻的研究與分析，本文設定了三種重構(gòu)策略，其實現(xiàn)難易程度、靈活性與適用范圍各有不同，分別稱之為static、segment以及dynamic。Static重構(gòu)主要以應用程序為單位，設定合適的Cache結(jié)構(gòu)；Segment重構(gòu)則以程序運

3、行的不同片段為單位，根據(jù)各個階段的特性設定合適的Cache結(jié)構(gòu)，適用于運行程序類型較為集中的嵌入式系統(tǒng)；Dynamic重構(gòu)，則是通過實時監(jiān)測應用程序的特性來自動選擇進行重構(gòu)的時機，適用于復雜的高端嵌入式處理器。 確立了可重構(gòu)Cache結(jié)構(gòu)與重構(gòu)策略后，對存儲體系進行了系統(tǒng)的功耗分析。將功耗分為可重構(gòu)的Cache功耗、外存訪問功耗和CPU停頓功耗三部分。其中Cache功耗基于一個廣泛使用的Cache功耗分析工具CACTI分析。

4、 本文對三種重構(gòu)策略進行了大量的性能評估與分析。為了準確全面的進行分析，在設定平均訪存功耗作為評估指標之外，還設定了能量延遲積，以及重構(gòu)粒度的歸一化參數(shù)，作為系統(tǒng)性能評估指標。在此基礎上，為了有效的完成數(shù)據(jù)抽取、計算與圖形化分析等計算與處理量極大的工作，搭建了一個基于Perl、Shell以及Matlab的數(shù)據(jù)分析平臺，針對各項性能指標進行自動化且高效的分析。 此外，在dynamic動態(tài)重構(gòu)策略的研究中，本文設定了歸一化的評估方

5、法以便于分析粒度對于重構(gòu)效果的影響?；诖嗽u估方法，對重構(gòu)粒度進行了大量分析，最終得到了針對本參考平臺的較優(yōu)化的粒度范圍(300萬到500萬條指令)。對于不同于本文的參考系統(tǒng)，亦可采用本文設定的評估方法與平臺方便的得出其優(yōu)化的重構(gòu)粒度范圍。 本文提出的可重構(gòu)Cache結(jié)構(gòu)和三種不同的重構(gòu)策略、性能評估方法與高效自動化的分析環(huán)境，適用于多種應用環(huán)境，可以作為嵌入式應用程序低功耗開發(fā)平臺的基礎。例如，可以在此平臺上自動分析用戶開發(fā)的