嵌入式系統(tǒng)性能優(yōu)化若干問題研究.pdf

1、提高應(yīng)用的執(zhí)行效率、增強系統(tǒng)的安全性以及降低系統(tǒng)的能量開銷是嵌入式系統(tǒng)設(shè)計者追求的重要目標。半導(dǎo)體技術(shù)和計算機體系結(jié)構(gòu)的快速發(fā)展，推動了嵌入式系統(tǒng)硬件平臺性能的大幅提升。然而，為了更有效地提高應(yīng)用的執(zhí)行效率，還需要對嵌入式軟件進行面向硬件體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。在嵌入式應(yīng)用日趨網(wǎng)絡(luò)化的背景下，嵌入式系統(tǒng)也面臨著巨大的安全威脅。對于構(gòu)建安全的嵌入式系統(tǒng)來說，如何取得安全性與實時性、能量開銷之間的平衡是一個具有挑戰(zhàn)性的課題。同時，隨著嵌入式移動應(yīng)用

2、和微型嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展，降低系統(tǒng)的能量開銷已經(jīng)成為了嵌入式領(lǐng)域的一個研究熱點。本文主要對嵌入式系統(tǒng)性能優(yōu)化中的一些具體問題展開研究。首先，我們以優(yōu)化片上存儲器的使用效率為切入點，對面向新型處理器和存儲器結(jié)構(gòu)的軟件性能優(yōu)化技術(shù)進行了深入的研究。然后，研究了面向嵌入式實時系統(tǒng)的安全優(yōu)化問題。最后，以傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點為目標平臺，對能量受限系統(tǒng)的安全擴展問題進行了研究。本文的主要貢獻有以下四個方面：
　　 ⑴研究了面向多處理器片上系統(tǒng)（M

3、PSoC）的變量劃分和任務(wù)調(diào)度算法。首先，我們設(shè)計了一種循環(huán)數(shù)據(jù)流圖模型LDFG，以描述任務(wù)對變量的訪問以及循環(huán)迭代之間任務(wù)的依賴關(guān)系。然后，提出了基于變量訪問頻率的快速變量劃分算法HAFF。通過引入“潛在關(guān)鍵路徑”的概念，又提出了面向全局性能優(yōu)化的變量劃分算法GVP。最后，我們還設(shè)計了一種具有變量劃分功能的旋轉(zhuǎn)調(diào)度算法RSVP。該算法的優(yōu)越性在于，它能夠充分發(fā)揮MPSoC及其存儲子系統(tǒng)的并行性優(yōu)勢，從而大幅地提高了應(yīng)用的執(zhí)行效率。

4、r>　　 ⑵研究了面向多模塊存儲器結(jié)構(gòu)（Multi-module Memory）的代碼優(yōu)化問題。提出了一種基于整數(shù)線性規(guī)劃的優(yōu)化方法PEOS，解決了指令調(diào)度、變量劃分和存儲器工作模式設(shè)置等問題。該方法的優(yōu)越性在于，它可以使代碼的執(zhí)行效率或存儲器的能量開銷達到最優(yōu)。在研究PEOS方法的過程中，我們提出了兩個通用性的定理，解決了將“c=O iff r=0”和“c=O iff r=I”兩類非線性條件線性化的問題。同時，為了提高PEOS的實用

5、性，我們又提出了兩種加速PEOS求解的方法：調(diào)度窗口限定法和基于可變鄰域搜索的近似算法VNS-ILP。其中，調(diào)度窗口限定法能確保解的全局最優(yōu)性，而VNS-ILP能在很短的計算時間內(nèi)求得近似最優(yōu)解。
　　 ⑶研究了面向嵌入式實時系統(tǒng)的最優(yōu)安全策略生成方法。首先，我們設(shè)計了一種安全相關(guān)的任務(wù)圖模型STG，它能同時描述任務(wù)的安全需求、任務(wù)間的依賴關(guān)系以及實時性約束。其次，對多種基礎(chǔ)安全算法的執(zhí)行效率和安全強度進行了量化評估，并在此基礎(chǔ)

6、上建立了一種評價系統(tǒng)安全性的量化模型。然后，提出了一種基于ILP的最優(yōu)安全策略生成方法ILPOS。該方法的特點是能確保任務(wù)的實時可調(diào)度性和安全策略的最優(yōu)性。最后，針對單一路徑和樹形結(jié)構(gòu)的STG，提出了兩種多項式時間復(fù)雜度的最優(yōu)安全策略生成算法DPOS-path/tree。
　　 ⑷以傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點為目標平臺，通過實驗的方法研究了安全算法在能量受限系統(tǒng)中的應(yīng)用。首先，我們設(shè)計了一種微功耗測量電路，并對多種安全算法在CrossBow