嵌入式存儲系統(tǒng)DPM策略研究.pdf

1、隨著市場對移動計算與存儲需求的大規(guī)模增長，構(gòu)建于嵌入式系統(tǒng)之上的各類電子與計算機系統(tǒng)越來越多，功能與結(jié)構(gòu)的日益復(fù)雜也使得系統(tǒng)的功耗不斷增長。相當(dāng)多的嵌入式系統(tǒng)采用電池供電，降低功耗可以延長一次充電后電池的使用時間，提高產(chǎn)品競爭力。不僅如此，降低芯片封裝與冷卻費用、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性與減小能耗對環(huán)境影響的考慮也使降低系統(tǒng)功耗成為越來越突出的需求。存儲系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)中的重要組成部分，一般按照層次化的結(jié)構(gòu)進行組織。研究表明，嵌入式存儲系統(tǒng)中的主

2、存與非易失性存儲部件在系統(tǒng)中的功耗比例較大，超過了處理器的功耗。因此，降低存儲系統(tǒng)的功耗成為降低系統(tǒng)功耗的重要環(huán)節(jié)。 動態(tài)功耗管理(DPM)是一種系統(tǒng)級功耗優(yōu)化技術(shù)，通過觀察負載情況來有選擇性的將系統(tǒng)或部件設(shè)置為低功耗模式以降低功耗。DPM策略的作用對象為功耗可控部件(PMC)，本論文以存儲系統(tǒng)中的PMC為對象，開展適用于不同軟硬件資源條件的DPM研究，并通過基于事件驅(qū)動的仿真實驗對策略效果進行評估。 傳統(tǒng)DPM策略直接

3、面向PMC，主存資源開銷較小，適用于資源受限的嵌入式存儲系統(tǒng)。預(yù)測性DPM策略在傳統(tǒng)策略中具有實用性與節(jié)能效果的較好平衡。論文提出適用于DPM預(yù)測性策略的模塊化結(jié)構(gòu)，提高了策略的通用性與實施的靈活性，并在該結(jié)構(gòu)中首次引入功耗反饋機制，使預(yù)測性策略在節(jié)能目標(biāo)的指引下具有更好的自適應(yīng)性。嵌入式存儲系統(tǒng)中的部件空閑時間常呈現(xiàn)隨機特性，并不符合現(xiàn)有DPM預(yù)測性策略基于空閑時間關(guān)聯(lián)性進行預(yù)測的條件。本論文據(jù)此提出基于能耗期望(EEB)的預(yù)測性策略

4、。EEB根據(jù)空閑時間分布確定獲得最小能耗期望的空閑模式，并在PMC空閑時使其進入該模式。在空閑時間非穩(wěn)態(tài)分布下，采用滑動窗口法對能耗期望進行動態(tài)估計，使EEB在非穩(wěn)態(tài)環(huán)境下也具有較好的節(jié)能效果。 在主存資源較為豐富的嵌入式系統(tǒng)中，利用數(shù)據(jù)緩沖區(qū)實現(xiàn)請求集中從而延長PMC的空閑時間可獲得比傳統(tǒng)策略更好的節(jié)能效果，稱為面向?qū)哟位鎯Φ腄PM策略。此類研究中，基于FIFO數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的策略未考慮嵌入式多任務(wù)環(huán)境下數(shù)據(jù)交替與重復(fù)訪問的特性

5、，造成PMC的大量無效讀取。本論文據(jù)此提出基于緩沖區(qū)動態(tài)分組(DGDB)的功耗管理策略。DGDB將數(shù)據(jù)緩沖區(qū)劃分為塊，在運行時以塊為單位對緩沖區(qū)進行分組，使各任務(wù)在不同分組中保留各自的預(yù)讀內(nèi)容，從而避免數(shù)據(jù)無效更替。當(dāng)所需數(shù)據(jù)缺失時，DGDB進行具有節(jié)能意識的預(yù)讀，并引入緩沖區(qū)塊替換算法使數(shù)據(jù)得以重用，減少對存儲部件的訪問，從而帶來更長的空閑時間。在此基礎(chǔ)上提出基于任務(wù)信息(TIB)的層次化存儲DPM策略。TIB策略對任務(wù)的數(shù)據(jù)訪問模式

6、進一步細分，通過修改存儲訪問接口獲知任務(wù)數(shù)據(jù)訪問的模式，根據(jù)不同模式?jīng)Q定預(yù)讀與替換算法，使策略具有更好的節(jié)能意識。 本文設(shè)計了基于事件驅(qū)動的DPM系統(tǒng)軟件仿真，通過事件模擬出操作請求和系統(tǒng)信息，觸發(fā)各部件模擬器的執(zhí)行。根據(jù)對實驗統(tǒng)計數(shù)據(jù)的分析提取功耗和狀態(tài)模型的參數(shù)，準(zhǔn)確模擬了微硬盤功耗和狀態(tài)的變化，經(jīng)過模型檢驗，功耗仿真結(jié)果的最大相對誤差約為6.5％。基于此的仿真實驗表明，本文提出的預(yù)測性DPM策略在隨機環(huán)境下具有比傳統(tǒng)預(yù)測性