嵌入式系统存储层次的功耗优化及功耗评估研究

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1、中国科学技术大学硕士学位论文嵌入式系统存储层次的功耗优化及功耗评估研究姓名：张来勇申请学位级别：硕士专业：计算机体系结构指导教师：李曦2003.5.1摘要随着嵌入式处理器在以电池供电的便携式设备上的广泛应川，使得功耗取代性能成为嵌入式系统设计的最重要准则。在嵌入式系统中，主存和cache组成的存储层次是整个系统功耗的最重要的部分。本文首先从系统结构的角度对嵌入式系统的存储层次的功耗进行研究，分析研究了两类流行的系统级功耗优化方法：代码压缩和caching。并在此基础上，提出了改进的L00p1-able功耗优化方法。代码压缩方法通过对程序目标代

2、码进行重新编码，来减小程序所占用的存储器尺寸，减小访存带宽，降低由于访存带来的总线翻转，进而降低系统功耗。但是由于在系统中必须增加解压部件来对压缩码进行解压，所以也增加了系统的额外开销，并且也在一定程度上增加了系统的复杂性，影响了系统的性能。因此，嵌入式系统的实现应在功耗与性能之间进行权衡。cach血g方法都是在原有的存储层次和处理器之间增加一个小的指令缓冲区，这个指令缓冲区既可以是传统意义的Cache，也可以是非传统意义的Cache，例如没有换入换出的cache。这样可以减少访问大容量的cache或者是片外主存的次数，从而从整体上降低功耗。

3、但是因为增加的cache容量小，失效率较高，因此对性能将产生负面影响，同时当失效率过高时，还有可能增加系统的功耗。因此，所有的Caching方法都将研究重点放在将哪些代码块放入增加的Cache中，如何减少增加的Cache的失效率问题上。其次，本文搭建了一个Cache能耗评估平台。该平台以Kamble和Ghose提出的Cache的能耗模型为基础并加以完善，用该模型对要评估的cache进行能耗建模。本文设计并实现了一个基于该模型的cache能耗评估计算工具cAEE，并且分析研究了一个典型的体系结构建模和仿真工具siⅡlplescalar。该平台以

4、simplescal“和cAEE为工具，使得它既可以对传统的cache进行能耗评估，又可以对低能耗的Cache进行能耗评估。通过该平台．可以在系统结构的设计阶段，对Cache的设计空间进行搜索，确定Cache的组织结构，以达到要求的Cache能耗指标。最后，本文利用搭建的cache能耗评估平台，通过具体实验研究了Cache的能耗与相联度、块尺寸和容量的关系，并通过具体实验验证了Filtercache方法的有效性。关键字：嵌入式系统存储层次功耗优化功耗评估本论文的工作得到国家自然科学基金(60273042)和安徽省自然科学基金(03042101

5、)的支持Abstractwiththeembeddedprocessorwidelyusedforportableperipherals，powerconsumpbonbecomesthemostimportantdesigncriteriaOfembeddedsystem．ThememoryhierarchymadeofmainmemofyandcacheisusualIymelaf：gestpowe卜consumingblockofoverallembeddedsystem．Firstly，thepaperwillrescarchanda

6、nalyzepowercollsumptionofthememoryhierarchy，includingtwocI髂sesoftypicalsyStemleVelpowerconsumptionoptimizationmethods：codecompressionaIldcaching．CodecompressionmemOdscanreducemesizeofobjectcodeofeIll_beddedpro酎锄throughreencoding，thereforereducingmemorysizeandcommunicationco

7、st，趾dmesys蜘nleveIpowersa“ngcaIlbeachieved．HoweveLbecausetlleymustincreaSesOmeadd-oncircui乜fordecompression，也eywillincrease“扛aoverheadoft11esystem，increaseconlplexityoft11esysteIn，musafrectnleperfomlanceofthesystem．So，weneedtotradeo圩powerconsurnptionagaillstpcrf0啪ance．Cachin

8、gmetllodsplaceasmalli11shllctionbu丘打beMeenprocessorandmemoryhierarchy．Thisi11S饥lct