本文關(guān)鍵詞：溫度敏感的片上存儲(chǔ)系統(tǒng)研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：近年來(lái),隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展,處理器的性能得到了顯著提高。與此同時(shí),嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者和應(yīng)用者也面臨著新的挑戰(zhàn)：不斷增加的系統(tǒng)功耗和不斷上升的器件溫度。高功耗增加了系統(tǒng)的使用成本,而高溫度會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可用性。電子器件的功耗和溫度間存在著相互作用關(guān)系,不考慮溫度效應(yīng)只針對(duì)功耗單方面的優(yōu)化往往不能達(dá)到最優(yōu)的效果。嵌入式處理器中算術(shù)運(yùn)算器和寄存器操作最為頻繁,使用功耗較高,通常會(huì)成為芯片上局部溫度最高的器件,一直以來(lái)是系統(tǒng)溫度優(yōu)化的重點(diǎn)。隨著芯片特征尺寸的縮短,漏泄功耗在系統(tǒng)功耗中所占的比例越來(lái)越大,而溫度上升更會(huì)導(dǎo)致漏泄功耗指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。片上存儲(chǔ)器由于集成度高、所占芯片面積大,是片上系統(tǒng)中漏泄功耗的主要來(lái)源。近來(lái)也有研究發(fā)現(xiàn)黑客利用存儲(chǔ)器件溫度管理的缺失,在短時(shí)間內(nèi)迅速提高存儲(chǔ)器溫度,對(duì)芯片硬件造成損壞。因此,針對(duì)片上存儲(chǔ)系統(tǒng)進(jìn)行溫度管理意義重大。 本文針對(duì)溫度敏感的片上存儲(chǔ)系統(tǒng)展開(kāi)研究。片上存儲(chǔ)系統(tǒng)是為了克服主存和處理器間速度不匹配而引入的,管理片上存儲(chǔ)的功耗和溫度都不應(yīng)該犧牲其訪問(wèn)速度,因此本文將從訪問(wèn)時(shí)間和器件溫度兩方面對(duì)片上存儲(chǔ)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化�，F(xiàn)在嵌入式處理器中通常配備cache和SPM兩種片上存儲(chǔ)器件,本文以這種混合式片上存儲(chǔ)系統(tǒng)為優(yōu)化對(duì)象。為了在訪問(wèn)時(shí)間和器件溫度兩方面對(duì)存儲(chǔ)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化,需要分析存儲(chǔ)器件的類(lèi)型、容量、功耗、面積和功耗密度等多方面的影響。探索設(shè)計(jì)空間的研究方法適合這種考慮因素多,變化情況復(fù)雜的系統(tǒng)優(yōu)化問(wèn)題。本文采用了存儲(chǔ)架構(gòu)選擇和數(shù)據(jù)布局優(yōu)化相結(jié)合的方法,針對(duì)不同應(yīng)用程序選擇最為合適的存儲(chǔ)架構(gòu),并在程序運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)映射數(shù)據(jù)到cache和SPM。 本文提出了兩種溫度敏感的存儲(chǔ)架構(gòu)選擇算法和一種溫度敏感的數(shù)據(jù)分配算法。三種算法都以器件溫度變化周期、器件存儲(chǔ)容量為條件約束cache和SPM的連續(xù)工作時(shí)間,保證存儲(chǔ)系統(tǒng)既能滿足數(shù)據(jù)訪問(wèn)需求,也不會(huì)因?yàn)閱我黄骷褂脮r(shí)間過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致局部溫度過(guò)熱。為了選擇出滿足溫度約束下目標(biāo)程序執(zhí)行時(shí)間最短的存儲(chǔ)架構(gòu),本文設(shè)計(jì)了EBSCR算法。在該算法中,利用SPM訪問(wèn)速度快的特點(diǎn),以SPM和cache連續(xù)工作時(shí)間的比例作為選擇依據(jù)。SPM的相對(duì)工作時(shí)間越長(zhǎng),通過(guò)SPM訪問(wèn)的數(shù)據(jù)就越多,程序的執(zhí)行時(shí)間越短。另一種存儲(chǔ)架構(gòu)選擇算法EBRou,側(cè)重于選擇滿足執(zhí)行時(shí)間限制下器件溫度最低的架構(gòu)。通過(guò)對(duì)溫度模型的分析,EBRou算法中以功耗密度作為決定器件溫度的主要因素,選擇程序運(yùn)行期間平均功耗密度最低的存儲(chǔ)架構(gòu)。本文還提出了一種溫度敏感的數(shù)據(jù)分配算法TADA,可以在目標(biāo)程序運(yùn)行過(guò)程中將數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)映射到存儲(chǔ)架構(gòu)中,并通過(guò)交替使用cache和SPM,保證器件瞬時(shí)溫度不會(huì)超過(guò)閾值。 為了評(píng)估存儲(chǔ)架構(gòu)選擇算法和數(shù)據(jù)分配算法的性能,本文設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了溫度敏感的存儲(chǔ)架構(gòu)仿真平臺(tái)。該平臺(tái)中實(shí)現(xiàn)了本文提出的三種算法,并集成了體系結(jié)構(gòu)仿真工具SimlpleScalar、溫度仿真工具HotSpot、動(dòng)態(tài)功耗仿真工具Wattch和漏泄功耗仿真工具HotLeakage等,能夠從訪問(wèn)時(shí)間、器件溫度和功耗等多方面對(duì)片上存儲(chǔ)系統(tǒng)進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本文提出的算法可以有效地縮短程序執(zhí)行時(shí)間,降低存儲(chǔ)器件溫度并減少存儲(chǔ)器件漏泄功耗。
【關(guān)鍵詞】：溫度敏感 存儲(chǔ)架構(gòu)優(yōu)化 數(shù)據(jù)分配 漏泄功耗
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類(lèi)號(hào)】：TP333
【目錄】：

• 摘要8-10
• ABSTRACT10-12
• 第一章 緒論12-16
• 1.1 課題研究背景及意義12-14
• 1.2 本文的主要工作14-15
• 1.3 本文的章節(jié)安排15-16
• 第二章 溫度管理和存儲(chǔ)優(yōu)化相關(guān)工作分析16-24
• 2.1 溫度檢測(cè)與建模16-17
• 2.2 溫度敏感的系統(tǒng)優(yōu)化17-19
• 2.3 片上存儲(chǔ)系統(tǒng)管理19-22
• 2.4 本章小結(jié)22-24
• 第三章 基本概念和模型24-30
• 3.1 功耗模型24
• 3.2 溫度模型24-26
• 3.3 器件布局、芯片面積模型26-27
• 3.4 Cache、SPM訪問(wèn)模型27-29
• 3.5 本章小結(jié)29-30
• 第四章 溫度敏感的存儲(chǔ)架構(gòu)選擇和數(shù)據(jù)分配30-43
• 4.1 研究方法概述30-32
• 4.2 存儲(chǔ)器件的溫度變化周期32-34
• 4.3 側(cè)重時(shí)間的存儲(chǔ)架構(gòu)選擇34-36
• 4.4 側(cè)重溫度的存儲(chǔ)架構(gòu)選擇36-40
• 4.5 溫度敏感的數(shù)據(jù)分配40-42
• 4.6 本章小結(jié)42-43
• 第五章 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析43-54
• 5.1 實(shí)驗(yàn)方法與實(shí)驗(yàn)框架43-46
• 5.2 基準(zhǔn)測(cè)試程序和評(píng)估指標(biāo)46-47
• 5.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析47-53
• 5.4 本章小結(jié)53-54
• 第六章 結(jié)論與展望54-56
• 參考文獻(xiàn)56-63
• 致謝63-64
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表的主要學(xué)術(shù)論文64-65
• 攻讀學(xué)位期間參與科研項(xiàng)目及獲獎(jiǎng)情況65-66
• 學(xué)位論文評(píng)閩及答辯情況表66

【共引文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：367302