【摘要】： 提高應(yīng)用的執(zhí)行效率、增強(qiáng)系統(tǒng)的安全性以及降低系統(tǒng)的能量開(kāi)銷是嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)者追求的重要目標(biāo)。半導(dǎo)體技術(shù)和計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的快速發(fā)展,推動(dòng)了嵌入式系統(tǒng)硬件平臺(tái)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(duì)嵌入式軟件進(jìn)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(duì)于構(gòu)建安全的嵌入式系統(tǒng)來(lái)說(shuō),如何取得安全性與實(shí)時(shí)性、能量開(kāi)銷之間的平衡是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的課題。同時(shí),隨著嵌入式移動(dòng)應(yīng)用和微型嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展,降低系統(tǒng)的能量開(kāi)銷已經(jīng)成為了嵌入式領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。 本論文主要對(duì)嵌入式系統(tǒng)性能優(yōu)化中的一些具體問(wèn)題展開(kāi)研究。首先,我們以優(yōu)化片上存儲(chǔ)器的使用效率為切入點(diǎn),對(duì)面向新型處理器和存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)的軟件性能優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行了深入的研究。然后,研究了面向嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)的安全優(yōu)化問(wèn)題。最后,以傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)為目標(biāo)平臺(tái),對(duì)能量受限系統(tǒng)的安全擴(kuò)展問(wèn)題進(jìn)行了研究。本論文的主要貢獻(xiàn)有以下四個(gè)方面: (1)研究了面向多處理器片上系統(tǒng)(MPSoC)的變量劃分和任務(wù)調(diào)度算法。首先,我們?cè)O(shè)計(jì)了一種循環(huán)數(shù)據(jù)流圖模型LDFG,以描述任務(wù)對(duì)變量的訪問(wèn)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(wèn)頻率的快速變量劃分算法HAFF。通過(guò)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(jì)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(chǔ)子系統(tǒng)的并行性優(yōu)勢(shì),從而大幅地提高了應(yīng)用的執(zhí)行效率。 (2)研究了面向多模塊存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)(Multi-module Memory)的代碼優(yōu)化問(wèn)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(chǔ)器工作模式設(shè)置等問(wèn)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(chǔ)器的能量開(kāi)銷達(dá)到最優(yōu)。在研究PEOS方法的過(guò)程中,我們提出了兩個(gè)通用性的定理,解決了將“c=0 iff r=0”和“c=0 iff r=1”兩類非線性條件線性化的問(wèn)題。同時(shí),為了提高PEOS的實(shí)用性,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(jì)算時(shí)間內(nèi)求得近似最優(yōu)解。 (3)研究了面向嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)的最優(yōu)安全策略生成方法。首先,我們?cè)O(shè)計(jì)了一種安全相關(guān)的任務(wù)圖模型STG,它能同時(shí)描述任務(wù)的安全需求、任務(wù)間的依賴關(guān)系以及實(shí)時(shí)性約束。其次,對(duì)多種基礎(chǔ)安全算法的執(zhí)行效率和安全強(qiáng)度進(jìn)行了量化評(píng)估,并在此基礎(chǔ)上建立了一種評(píng)價(jià)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(diǎn)是能確保任務(wù)的實(shí)時(shí)可調(diào)度性和安全策略的最優(yōu)性。最后,針對(duì)單一路徑和樹(shù)形結(jié)構(gòu)的STG,提出了兩種多項(xiàng)式時(shí)間復(fù)雜度的最優(yōu)安全策略生成算法DPOS-path/tree。 (4)以傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)為目標(biāo)平臺(tái),通過(guò)實(shí)驗(yàn)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?cè)O(shè)計(jì)了一種微功耗測(cè)量電路,并對(duì)多種安全算法在CrossBow和Ember兩種節(jié)點(diǎn)上的能量開(kāi)銷進(jìn)行了測(cè)量。然后,提出了降低安全算法能量開(kāi)銷的代碼優(yōu)化方法。最后,基于對(duì)能量測(cè)試結(jié)果的分析,提出了一些在傳感器節(jié)點(diǎn)等能量受限系統(tǒng)中應(yīng)用安全算法的原則,如算法選擇、參數(shù)配置等。
【圖文】：

在嵌入式處理器設(shè)計(jì)中，片上系統(tǒng)（System on Chip，SoC）技術(shù)通過(guò) IP 核重用的方式將處理器、存儲(chǔ)器、I/O 接口等硬件單元集成到了單個(gè)芯片上，從而提高了處理器的設(shè)計(jì)效率和集成度。據(jù)國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)藍(lán)圖（ITRS）預(yù)測(cè)，，未來(lái)對(duì)SoC 處理能力的需求會(huì)急劇地增長(zhǎng)。預(yù)計(jì)到 2013 年，性能需求可能達(dá)到每秒 2458G次處理操作[21]。正因?yàn)?SoC 將面臨如此繁重的計(jì)算任務(wù)，早在 2000 年美國(guó)斯坦福大學(xué)的 NetChip 項(xiàng)目和英國(guó)曼切斯特大學(xué)的 Marble 項(xiàng)目[22]，就開(kāi)始啟動(dòng)了對(duì)多處理器片上系統(tǒng)（Multi-Processor SoC，MPSoC）的研究。目前，多家國(guó)際公司也推出了各自的 MPSoC 平臺(tái)，如 Philips 的 Nexperia，TI 的 OMAP 以及 Xilinix的 Vertex-II Pro 等[23]。從 ITRS 提供的 MPSoC 參考模型[24]看（如圖 1-1 所示），MPSoC 主要包含多個(gè)同構(gòu)或異構(gòu)的處理器核（Main Processor，Main Proc.）、大量的處理引擎（Processing Engines，PE）、存儲(chǔ)器以及外設(shè)接口等部件。在 MPSoC 中，各個(gè)處理器單元（Main Proc.，PE）可以有自己獨(dú)立的軟硬件配置，為特定功能提供最優(yōu)化的效能（如圖 1-1（b））。

其中最具代表性的單核 DSP 是 TI 公司的 DSP-TMS320C64的主頻高達(dá) 1.2GHz，采用 Serial RapidIO 總線使互連速率提高，主要用于為醫(yī)療成像領(lǐng)域提供更完美的影像質(zhì)量[26]。滿足數(shù)字娛樂(lè)、高清視頻等應(yīng)用對(duì) DSP 處理能力的需求，DSP 的體向多核方向發(fā)展。目前，TI、Freescale 以及 ADI 等公司都紛紛推出 DSP 產(chǎn)品，如 OMAP、MSC8126 和 AD14060 等。值得注意的是， VLIW 結(jié)構(gòu)）的 DSP，既能實(shí)現(xiàn)任務(wù)級(jí)的并行，還能充分挖掘指令因此，以 DSP 為核心的嵌入式系統(tǒng)的研制將會(huì)是一個(gè)持續(xù)的熱點(diǎn)入式存儲(chǔ)器的發(fā)展器和存儲(chǔ)器技術(shù)發(fā)展的不平衡，導(dǎo)致了二者之間的速度差不斷增大的“存儲(chǔ)墻”效應(yīng)[27]，如圖 1-2 所示。因此，改善存儲(chǔ)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的整體性能具有重要的意義。目前，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員已經(jīng)從體新型存儲(chǔ)器利用等方面著手對(duì)存儲(chǔ)子系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化。
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2010
【分類號(hào)】：TP368.1

【引證文獻(xiàn)】

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1 馬偉;;嵌入式系統(tǒng)在家居能源控制子系統(tǒng)中的應(yīng)用[J];數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用;2012年06期

本文編號(hào)：2671257