（计算机科学与技术专业论文）基于scratchpad+memory的嵌入式系统优化研究.pdf

浙江大学博士学位论文 摘要 摘要 嵌入式系统的发展圈新月异，其应用也越来越广泛。随着嵌入式系统应用的 不断深入，性能、实时性与能耗等方面对于嵌入式系统的要求越来越高。嵌入式 系统的软硬件需要协同进行高效率的设计，以满足应用的需求。基于s o c 与 m p s o c 的嵌入式系统研究的不断深入，片上面积的利用效率越来越高，所集成的 器件种类丰富，性能和容量也不断提升。利用片上高性能器件来提升嵌入式系统 的整体性能更是当前嵌入式系统研究的重点之一。 由于片上可利用面积的增加，越来越多的嵌入式处理器将存储器集成在片 上，通过片上高速总线来进行访闷。片上存储器有利于缩小处理器核与杰存之间 的访阕延迟，提高系统的整体性能。s e r a t c h p a dm e m o r y 是集成到芯片上的非c , a e h e 用途的s r a m 存储器的统称。通过软件控制的方法，将代码和数据存放在 s c r a t c h p a dm e m o r y 中，提供给处理器使用。由于s c r a t e h p a dm e m o r y 具有软件可 控制、响应速度快、占用片上面积小、能耗低的特点，在嵌入式系统中得到了越 来越广泛的应用。 本文关注s c r a t c h p a dm e m o r y 的有效使用，研究如何利用s e r a t c h p a dm e m o r y 进行嵌入式系统的优化，对程序进行加速，减少消耗在存储器访阆上的时间，降 低因存储访问带来的能耗，从而提高嵌入式系统的整体性能。 本文主要在三个方面进行了研究： ( 1 ) 基于s c r a t c h p a dm e m o r y 的嵌入式操作系统优化。通过对嵌入式操作系 统中调度算法的改进，对嵌入式操作系统的进程调度模块进行优化，将进程调度 模块分配到s e r a t e h p a dm e m o r y 上运行；将嵌入式操作系统微内核化，对微内核 实行构件化，从而提高嵌入式操作系统的运行效率。 ( 2 ) 多道程序共享s e r a t c h p a dm e m o r y 的优化。通过对嵌入式程序进行分析， 生成存储对象。这些存储对象在运行时，可以被调度到s e r a t c h p a dm e m o r y 上， 利用s c r a t e h p a dm e m o r y 的特点加快程序的运行速度，减少程序运行时的能耗。 ( 3 ) 提出了面向m p s o c 体系结构的s e r a t c h p a dm e m o r y 优化。对于传统的 嵌入式程序，通过编译分析析取存储对象。通过操作系统专门韵s e r a t c h p a d m e m o r y 管理器在多道程序之间进行携闻，达到多道程序共享s e r a t c h p a dm e m o r y 的目的。通过对程序的线程化，提高程序的并行性，网时，由予线程流水，存储 对象将会相对稳定的驻留在s e r a t c h p a dm e m o r y 上，从而实现对程序运行加速的 浙江大学博士学位论文摘要 目标。 同时，本文也通过实验对所提出的s c r a t c h p a dm e m o r y 方法进行了验证和测 试。这些优化方法在研究中通过在嵌入式硬件平台上和模拟平台上的实验得到了 验证。实验结果表明，这些优化能够有效的提高嵌入式系统的性能，降低系统运 行时的能耗，优化后系统性能提升在2 0 以上，能耗则减少2 5 以上。 本研究充分利用了s c r a t c h p a dm e m o r y 的特点，设计了通过嵌入式操作系统、 多道程序共享对嵌入式系统的优化；探索了多核引入嵌入式系统环境后，基于 s c r a t c h p a dm e m o r y 的优化对多核嵌入式系统的整体性能优化。本研究的工作能够 有效的通过基于s c r a t c h p a dm e m o r y 的优化，提升嵌入式系统的整体性能，将推 动s c r a t c h p a dm e m o r y 在嵌入式系统中的进一步研究和推广。 关键词：s c r a t c h p a dm e m o r y ，优化，嵌入式操作系统，嵌入式系统 浙江大学博士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fe m b e d d e ds y s t e m s ，t h e i ra p p l i c a t i o nh a sb e c o m e i n c r e a s i n g l yw i d e s p r e a d ，w h i c hb r i n g so nm o r es t r i c tr e q u i r e m e n t so np e r f o r m a n c e , e n e r g yc o n s u m p t i o na n dr e a l t i m er e s p o n s eo ns u c hal 【i n do fs y s t e m s t h eh a r d w a r e a n ds o r w a r 嚣n e e dt ob ee f f i c i e n t l yc o o r d i n a t e di no r d e rt om e e tt h ea p p l i c a t i o n s r e q u i r e m e n t s a sr e s e a r c h e so ne m b e d d e ds y s t e m sb a s e do nm p s o ca n ds o ci s c o n t i n u a l l yp r o g r e s s i n ga n dt h eu t i l i z a t i o no fo n - c h i pa r e as t e a d i l yi n c r e a s i n g , t h e r ea r e m o r ea n dm o r eo n - c h i pi n t e g r a t e dd e v i c e sa v a i l a b l et h a tb o a s tb e t t e rp e r f o r m a n c ea n d l a r g e rc a p a c i t y t h e r e f o r e , h o wt ou s eh i g h - p e r f o r m a n c eo n - c h i pd e v i c e st oi m p r o v e t h eo v e r a l lp e r f o r m a n c eo ft h ee m b e d d e ds y s t e me m e r g e sa so n eo ft h eh o t t e s tf o c u s e s o fc u r r e n tr e s e a r c h w i t ht h ei n c r e a s eo fa v a i l a b l eo n - c h i pa r e a , m o r eo n - c h i pm e m o r yc a l lb e e m b e d d e di n t ot h ec h i pa n da c c e s s e db yh i g h s p e e do n c h i pb u s ，w h i c hc o n t r i b m e st o n a r r o wt h ea c c e s sd e l a y sb e t w e e nt h ep r o c e s s o rc o r ea n dm e m o r yt h u si m p r o v e st h e o v e r a l lp e r f o r m a n c e s c r a t c h p a dm e m o r yi st h en a m eo fs r a mi n t e g r a t e do nc h i pb u t n o ta sc a c h e t h r o u g hs o f t w a r ec o n t r o lm e t h o d s ，c o d ea n dd a t ac a nb es t o r e di n s c r a t c h p a dm e m o r ya n dt r a n s f e r r e dt ot h ep r o c e s s o r t h es c r a t c h p a dm e m o r yc a nb e c o n t r o l l e db ys o f t w a r e , r e s p o n s eq u i c k l y , t a k e su ps m a l lo n - c h i pa r e aa n dc o n s u m e s l o w p o w e r , s oh a sb e e ni n c r e a s i n g l ye m p l o y e di ne m b e d d e ds y s t e m s t h i st h e s i sc o n c e r n st h ee f f e c t i v eu s a g eo fs c r a t c h p a dm e m o r y , a n di n v e s t i g a t e s o nh o wt om a k eu s eo fs c r a t c h p a dm e m o r yt oo p t i m i z ee m b e d d e ds y s t e m s ，a c c e l e r a t e p r o g r a m s , r e d u c ed e l a y si nt h em e m o r ya c c e s st i m e ，l o w e rt h ee n e r g yc o n s u m p t i o n , t h e r e b ye n h a n c i n gt h eo v e r a l lp e r f o r m a n c eo fe m b e d d e ds y s t e m s t h i st h e s i sm a k e st h ef o l l o w i n gc o n t r i b u t i o n s ： ( 1 ) i tp r e s e n t st h eo p t i m i z a t i o nm e t h o d so fe m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m sb a s e do n s c r a t c h p a dm e m o r y t h es c h e d u l i n ga l g o r i t h mi nt h ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mi s i m p r o v e da n dt h es c h e d u l i n gm o d u l eo ft h ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mo p t i m i z e d t h es c h e d u l i n gm o d u l ei sa l l o c a t e dt or u no ns c r a t c h p a dm e m o r y t h ee r n b e d d e d o p e r a t i n gs y s t e mi sc u to u ta sam i c r o k e m e lw i t hd i f f e r e n tc o m p o n e n t st oe n h a n c et h e e f f i c i e n c y ( 2 ) i td e p i c t st h eo p t i m i z a t i o no fm u l t i - p r o g r a ms h a r e ds e r a t c h p a dm e m o r y t h e e m b e d d e da p p l i c a t i o n sa r ea n a l y z e da n dt h em e m o r yo b j e c t sa r eg e n e r a t e d w h e nt h e m e m o r yo b j e c t ss t a r tt or u n , t h e yc a nb ea l l o c a t e dt os c r a t c h p a dm e m o r y t h u st h e e x e c u t i o nt i m ea n dt h ee n e r g yc o n s u m p t i o nc a nb er e d u c e db yu t i l i z i n gt h ef e a t u r e so f 浙江大学博士学位论文 a b s t r a c t s c r a t c h p a dm e m o r y ( 3 ) i tp r o p o s e st h es o r a t c h p a dm e m o r yo p t i m i z a t i o nf o rm p s o c a r c h i t e c t u r e t h e m e m o r yo b j e c t sa r ee x t r a c t e df r o mt h et r a d i t i o n a le m b e d d e da p p l i c a t i o n sb yc o m p i l e r t h e nm u l t i - p r o g r a m sc a ns h a r et h es c r a t c h p a dm e m o r yc o o r d i n a t e db yt h es p e c i a l s e r a t c h p a dm e m o r ym a n a g e m e n t t h ea p p l i c a t i o n sa r et h r e a d e df o rp a r a l l e le x e c u t i o n a n da tt h es a m et i m et h et h r e a d sa l ep i p e l i n e dt ou t i l i z et h es c r a t c h p a dm e m o r ya n d a c h i e v et h eo p t i m i z a t i o n t h i st h e s i se v a l u a t e st h e p r o p o s e ds e r a t c h p a dm e m o r yo p t i m i z a t i o n t h e s e o p t i m i z a t i o nm e t h o d si nt h i st h e s i sa r et e s t e da n dv 舐f i e dt h r o u g ht h ee m b e d d e d h a r d w a r ep l a t f o r ma n ds i m u l a t i o np l a t f o r m e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h e s e o p t i m i z a t i o nm e t h o d sc a ne f f e c t i v e l yi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fe m b e d d e ds y s t e m s ， r e d u c ee n e r g yc o n s u m p t i o na n do p t i m i z es y s t e mp e r f o r m a n c eb ym o r et h a n2 0 i n p e r f o r m a n c ea n dm o r et h a n2 5 i ne n e r g yc o n s u m p t i o n t h i sr e s e a r c hf u l l yu t i l i z e st h ec h a r a c t e r i s t i c so fs e r a t c h p a dm e m o r y , a n dd e s i g n s a no p t i m i z a t i o nf r a m e w o r kw i t he m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m sa n dm u l t i - p r o g r a ms h a r e ； i ta l s o e x p l o r e s o nh o wt oo p t i m i z es c r a t c h p a dm e m o r yf o rm u l t i c o r eb a s e d e m b e d d e ds y s t e m s i nt h i sw a y , t h i sw o r kc a ne f f e c t i v e l yi m p r o v et h ew h o l e p e r f o r m a n c eo fe m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m s ，a n dc a np r o m o t ef u r t h e r m o r er e s e a r c ho f s e r a t c h p a dm e m o r y a p p l i c a t i o n so ne m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m s k e y w o r d s ： s c r a t c h p a dm e m o r y , o p t i m i z a t i o n ，e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ， m p s o c ，e m b e d d e ds y s t e m 浙江大学博士学位论文图目录 图目录 图2 i c a c h e 基本结构示意图7 图2 2 集成s c r a t c h p a dm e m o r y 的单核处理器结构示意图9 图2 3 s c r a t c h p a dm e m o r y 地址空间映射。1 0 图2 4 集成s c r a t c h p a dm e m o r y 的一种m p s o c 示意图。1 1 图2 5 基于虚拟共享s c r a t c h _ p a dm e m o r y 的m p s o c 体系1 2 图2 6s c r a t c h p a dm e m o r y 映射方法的分类13 图2 7c a c h e 冲突与消除示意图1 6 图2 8 可重叠优化的示例18 图2 9 生命周期分裂1 9 图2 1 0 数组划分基本方法示意图2 l 图2 1 1 m p s o c 上的线程流水2 3 图3 1 基于s c r a t c h p a dm e m o r y 的优化方法研究框架。2 5 图4 1 任务模型2 9 图4 2 任务分组的示意图3 2 图4 - 3 分组调度的示意图3 3 图4 4 进程调度模块的优化流程3 6 图4 5 进程调度模块的组织。3 7 图4 6 s c r a t c h p a dm e m o r y 的空间划分3 8 图4 7 进程调度模块的区域。3 9 图4 8 进程调度模块的重分配3 9 图4 9 嵌入式加载器的示意图4 0 图4 1 0 进程调度模块的加载过程4 l 图4 1 1 未知s c r a t c h p a dm e m o r y 大小的进程调调模块加载过程4 2 图4 1 2 微内核结构和片上微内核的空间分布4 3 图4 1 3 片上微内核的资源封装j 4 5 图4 1 4 片上微内核与板上操作系统示意图4 6 图4 1 5 构件化片上微内核4 7 图5 1 多道程序共享s c r a t c h p a dm e m o r y 的方式4 8 图5 2 s c r a t c h p a dm e m o r y 空间分布4 9 图5 3 编译分析过程5 0 图5 4 c f g 示意图5 2 图5 5 c f g 的不同路径5 3 图5 6 候选的存储对象5 4 图5 7 存储对象的代价5 4 图5 8 最佳的候选存储对象5 5 图5 9 存储对象的分配示意图5 6 i v 浙江大学博士学位论文图阳录 图5 1 0 c f g 的p r o f i l i n g 信息与路径选择5 7 圈5 1 l 存储对象的选择5 8 图5 1 2 s c r a t c h p a dm e m o r y 的虚实地址映射。5 9 图5 1 3s c r a t c h p a dm e m o r y 的存储组织6 0 圈5 1 4 存储对象的组织6 l 图5 1 5 s p m m a n a g e r 的管理示意图6 2 圈5 1 6 存储对象与存储对象组6 3 图6 1 处理器核组逻辑结构图6 5 图6 。2 s e r a t c h p a dm e m o r y 组织示意图6 6 图6 3 多道程序对s e r a t c h p a dm e m o r y 的共享6 8 图6 4 m p s o c 的s c r a t c h p a dm e m o r y 分配6 9 图6 5 s c r a t c h p a dm e m o r y 空间请求与分配7 0 图6 6 存储对象中的原语7 l 图6 7 任务队列的组织7 2 图6 。8 程序进程的映射。7 3 图6 9 空间分配的流程7 4 图6 1 0 多线程并行示意图7 5 圈6 1l 程序的多线程并行。7 6 图6 1 2 多线程优化的示例7 7 图6 1 3 多线程的分配。7 8 图6 1 4 核组内的线程分配7 9 图6 1 5 线程流水的示意图8 0 图7 1 实验内容8 2 图7 2 x s c a l e 体系结构p x a 2 7 x 处理器框架图。8 3 图7 3 i n t e lp x a 2 7 2 处理器的内部存储器框图8 4 图7 4 进程切换优化实验结果8 7 图7 。5 微内核优化实验结果。8 8 图7 。6 单程序s c r a t c h p a dm e m o r y 优化实验结果8 9 图7 7 二程序并行优化实验结果9 0 图7 8 四程序并行优化实验结果9 l 图7 9 八程序并行优化实验结果9 2 图7 1 0 多程序共享时改进实验结果9 3 图7 1l 运行时的损失。9 3 图7 。1 2 综合测试实验结果。9 4 图7 13m p s o c 平台的配置_ 9 5 图7 1 4 两程序共享优化实验结采鲻 图7 1 5 四程序共享优化实验结果。9 6 图7 1 6 八程序共享优化实验结果9 7 图7 1 7 多线程优化实验结果9 8 图7 。l8 两程序综合优化实验结果。9 9 v 浙江大学博士学位论文 图目录 图7 1 9 四程序综合优化实验结果k 9 9 图7 2 0 八程序综合优化实验结果1 0 0 v 1 浙江大学博士学位论文表西录 表目录 表4 1 资源五元组的示例3 0 表4 2 调度表的算法3 5 表4 3 分组调度算法3 5 表4 。4 调度表查表算法3 5 表7 1i n t e lp x a2 7 2 处理器的s c r a t c h p a dm e m o r y 地址空间8 4 表7 2 测试程序8 6 v l l 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝婆盘堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 签字眺形年月。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘堂有权保留并向国家有关部门或机构 送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿盘堂可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 辛 糊躲钥俄一名：了v 签字日期：1 喇年7 月oe l 签字日期：年 月e 1 浙江大学博士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题背景 l 。l 。l 嵌入式系统的发展 嵌入式系统是根据应用的需要，采用计算机技术，对软硬件进行裁剪，从而 满足定制要求的专用计算机系统f 1 1 。嵌入式系统通常由嵌入式处理器和嵌入式外 围设备以及嵌入式软件组成，具有面向用户、面向产品和面向应用定制的特点。 受到应用环境的限制，嵌入式系统在功能、可靠性、成本、体积和功耗等方面具 有严格的要求，是软件与硬件一体他的计算系统。 嵌入式系统出现于2 0 世纪的7 0 年代。随着微处理器技术的不断发展，嵌入 式系统得到了广泛的应用。嵌入式系统在不同工业领域的设计与应用已经超过了 3 0 年，包含了航空航天，铁路，能源和工业控制等方向【2 1 。与此同时，由于嵌入 式系统的性能不断提高而成本不断下降，嵌入式系统也作为日常使用的电子设 备，在汽车、家电和移动通信等领域得到了广泛的应用【懿。嵌入式系统的使用远 远超过了各种通用的计算机系统，在微处理器产品中，9 9 是角于嵌入式系统当 中朗瓯 通常嵌入式系统的体系结构可以分成两大部分：嵌入式硬件和嵌入式软件， 其中，嵌入式硬件又包括了嵌入式处理器和嵌入式外围设备；丽嵌入式软件则包 括了嵌入式操作系统、嵌入式应用软件和开发工具。各种类型的嵌入式处理器是 嵌入式系统的核心部件【6 l ，嵌入式系统的主要数据处理工作由嵌入式处理器完成， 它决定了嵌入式系统的性能。嵌入式外围设备包括了d r a m ，l c d 、键盘、音视 频和传感器等。嵌入式系统透过嵌入式外围设备来获得数据，并做出反馈。嵌入 式操作系统负责控制与管理嵌入式系统的硬件资源，并向嵌入式软件提供接躁， 它的设计与实现对嵌入式系统的整体性能有着重要的影响。 随着半导体技术的发展，摩尔定律将会在十年内继续有效【7 】，这表明芯片的 集成度将进一步提高；在性能得到提升的同时，芯片面积和价格也在不断降低。 这使得嵌入式系统的应用范围将迸一步扩大，几乎所有的产品都可以进行芯片的 集成，这种现象被称为“消失的计算机”( d i s a p p e a r i n gc o m p u t e r ) ，这意味着嵌入 式系统将是无处不在的【鄹。因此，应用对嵌入式系统的要求也进一步提高，嵌入 式系统既要有丰富的功能，具备较强的计算能力，同时也需要通信能力以及较低 的功耗【9 1 。 浙茳太学褥士学镣论文 第l 章绪论 随着半导体技术的不断发展，芯片集成度不断提高，s o c ( g r 上系统，s y s t e m o nc h i p ) 技术以及m p s o c ( 片上多处理器，m u l t i p r o c e s s o rs y s t e mo nc h i p ) 雩导到 了发展与应用，以满足嵌入式系统在计算能力、通信能力和功耗方面不断增长的 要求。 重。1 2s o c 的发展 随着半导体技术的不断进步，v l s i ( 超大规模集成电路，v e r yl a r g e - s c a l e i n t e g r a t e d ) 的集成密度在大幅度的增加f 嘲。单一芯片上的集成度不断提高，使得 s o c 技术得到了发展和应用。s o c 技术是将一个系统的全部功能模块集成到单一 的芯片上，从而实现在单个芯片上集成完备的系统功能【i 。 集成在s o c 芯片上的通常是i p ( 知识产权，i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) 核。这些 可重用的m 核包括嵌入式处理器，存储模块，接口模块和面向应用定制的处理构 件l 滋。在s o c 上集成的撙核可以分为三类：软核( s o f ti p ) ，是指使用r t l ( 寄 存器传送级别，r e g i s t e rt r a n s f e rl e v e l ) 或者更高级秀j 进行描述盼瑶核；硬核( h a r d 璎) ，是指具有固定的层结构，并且针对特定过程中的特定应用进行了定制的优化 过的p 核；固化核( f i r m 口) 是指已经做了描述但是提供了参数供设计人员进 行应用定制的口核。 s o c 不仅集成的晶体管数量多，而且由于集成了不同种类的功能和技术，并 且由于软硬件的协同工作，使得s o c 具有复杂的体系结构和逻辑接1 2 1 m 】。s o c 的 高集成度也使得s o c 的功能极为丰富，提高了对片上面积的有效利用，缩短了片 上连线的长度，从而提高了整个系统的性能。 由于i p 核具有霹重用性，在糟核设计完成后，相当数量的p 核被大多数 s o c 系统所使用和集成。在设计平台级的嵌入式系统时，这种重用性极大的提高 了开发效率( 1 5 j 。 m p s o c 是对s o c 技术的进一步发展，是指具有多于一个嵌入式指令集处理 器的s o c 1 6 1 。m p s o c 结合s o c 技术与多核技术的特点。多核技术是指在一个芯 片上集成多核处理器核，以提高处理器的处理能力；如采芯片上所集成的多个处 理器核相同，核阗地位相同，剡称为同构多核处理器；如果芯片上所集成的处理 器核不同，有主处理器和协处理器之分，则称为异构多核处理器【l 7 - 1 9 1 。m p s o c 片上既有多核处理器核，又集成了不同种类的软硬件，兼具了s o c 和多核的优点。 在s o c 与m p s o c 芯片上，往往会集成存储器，为处理器核提供存储服务， 从而提高处理器的效率。 浙汪大学祷士学链论文第l 章绪论 董董s 嵌入式系统中的片上存储器 随着嵌入式系统的不龋发鼹，链麓、功耗与实对靛已经成巍嵌久式系统设诗 煞主要要求。在嵌入式系统嚣设计孛，存德屡次麓设计菲繁重要；存储屡次设诗 媳优劣对嵌入式系统的整体性能、能耗与实现成本有极大的影蟾。在嵌入式系统 的发展过程中，一直都是处理器速度的增长远超过d r a m 访润速度的增长。在 过去的数十年中，处理器速度增长魁每年5 0 。1 0 0 ，而d r a m 速度的增长只有 每年7 f 糯。由手处理器的速度远远超过了d r a m 盼涛阿速度，处理器往往需要 浪费大量酶时阊等待对较慢的存储器件的访闻，潋获褥继续执行静数据。对整个 系统性裁影穗最大嚣不是簸理器翡撼嚣速度，蔼是存储器瓣逮度。 在眷赣器与处理器之阕壹存在着鳃较大豹速度差躐，嬲是“存德墙 ( m e m o r yw a l l ) 趣题【2 1 1 。髓罄处理器计算能力的不断提燕，鼠然存储器的访阊 速度也在增热，但是这种差距不但没有缭小，反靳越来越大。处理器与存储之间 的速度差距成为影响系统性能进一步提湃的生要瓶颈阎。 因此，嵌入式系统中，存储子系统一直是提高系统性能的瓶颈。不仅魏既， 在嵌入式系统中，存储子系统瞧是系统畿耗瓣主要簸蘸。在嵌入式系统中，存德 子系统熬缝耗往键达到了整个系统麓耗麓5 0 _ 7 0 2 3 2 4 。 s o c 技术戆发展馊缛集缩小处理器鸟存储之阀豹速度差距成为霹能。片上不 但可i 以集成存储器，述提供了菇性能的姥内总线，能够有效的提高存储器的速度， 同时降低能耗。在s o c 上，存储器将占据片上面积的5 0 以上瞄l 。使用片上的存 储器能够有效的减少系统熊耗，提高整体性能嘲。因此，撮多嵌入式处理器上都 集成了存储器。 在嵌天式系统，d r a m 与s r a m 是最鬻需的嚣襻存籍器。s p a m 鳇速度是 d r a m 酌1 0 - 1 0 0 倍，健是价格也是d r a m 魏2 倍跌上【2 7 。爨此，在嵌入式系 统中，d r a m 逶紫用撵容量大的存储层次，同时，提供较小的s r a m 来存储最 常用的数据以减少运行时问。具有$ r a m 的系统往往会比仅使用d r a m 的系统 性能高2 0 以上。由于s r a m 的每年提高6 0 而d r a m 的速度每年只麓提高秭， 这种性能差距将越来越大磺。 在嵌入式系统的多级存赭层次率，c a c h e 就是巢戚在嚣主懿s r a m 。遴常c a c h e 是盘硬释控制，对程侉员是不哥冕戆。褥s c r a t c h p a dm 烈n o r y 也是集成在片土豹 s r a m ，与c a c h e 不瘸，s c r a t c h p a dm e m o r y 是奎软件控铡，即它是片上豹可绽理 存储器f 2 9 1 。 与c a c h e 相比，s c r a t c h p a dm e m o r y 所占用的片上面积更小，因而可以谯片上 3 浙江大学博士学位论文 第1 章绪论 集成更大容量的存储器；由于s c r a t c h p a dm e m o r y 在设计上比c a c h e 简单，访问 通过寻址实现，访问s c r a t c h p a dm e m o r y 的能耗比c a c h e 小；由于s c r a t c h p a d m e m o r y 的可编程特点，这使得能够更好的对s c r a t c h p a dm e m o r y 进行控制。因此， s c r a t c h p a dm e m o r y 在嵌入式系统中得到了越来越广泛的使用。 1 2 本文的研究动机 嵌入式系统的发展日新月异，其应用也越来越广泛。嵌入式系统以应用为中 心，其软硬件的设计与实现都是围绕具体的应用环境进行定制。嵌入式系统必须 依赖于提高使用者的体验，随着嵌入式系统应用的不断深入，性能、实时性与能 耗等方面对于嵌入式系统的要求越来越高，并且这些要求有可能相互之间是冲突 关系【3 0 。嵌入式系统的软硬件需要协同进行，对系统进行高效率的设计，以满足 应用的需求。 基于s o c 与m p s o c 的嵌入式系统研究的不断深入，片上面积的利用效率越 来越高，所集成的器件种类丰富，性能和容量也不断提升。利用片上高性能器件 来提升嵌入式系统的整体性能更是当前嵌入式系统研究的重点之一。 由于片上可利用面积的增加，越来越多的嵌入式处理器将存储器集成在片 上，通过片上高速总线来进行访问。片上存储器的集成度提高，容量和速度也都 大为增加。片上存储器有利于缩小处理器核与内存之间的访问延迟，提高系统的 整体性能。 目前，最为常用的片上存储器类型是c a c h e 。c a c h e 一直是桌面处理器的标准 存储器。c a c h e 的主要优点是c a c h e 由硬件控制，对c a c h e 的各种操作由硬件自动 完成。因而c a c h e 能够对常用数据进行自动管理，进而提高系统系能。c a c h e 对于 系统中运行的程序来说是透明的。硬件提供对c a c h e 操作的支持，包括读写c a c h e ， 从内存中取数据，向内存中写入数据以及对c a c h e 数据的管型3 1 1 。 然而在嵌入式系统中，由于运行在处理器上的程序是受限的，因此，c a c h e 的性能远不如桌面处理器的c a c h e 。研究表明，c a c h e 用于嵌入式系统时，能耗更 高p 引，占用了更多的片上面积，并且性能上的表现远远不如在桌面处理器上的表 现【3 3 j p 4 。因此，尽管c a c h e 在嵌入式系统中也得到了应用，但是由于c a c h e 会降 低最坏情况时的性能，因此是否在嵌入式系统中采用c a c h e 结构是有争议的【2 8 】。 由于c a c h e 的种种不足，出现了另一种将s r a m 集成到片上的方式，即 s c r a t c h p a dm e m o r y 的方式。s c r a t c h p a dm e m o r y 是集成到芯片上的非c a c h e 用途 的s r a m 存储器的统称。通过软件控制的方法，将数据存放在s c r a t c h p a dm e m o r y 4 浙江大学博士学位论文第1 章绪论 中，提供给处理器使用。由予s c r a t c h p a dm e m o r y 具有软件可控制、响应速度快、 占用片上面积小、能耗低的特点，在嵌入式系统中得到了越来越广泛的应用。 现有的研究主要是对单个的嵌入式应用程序进行优化。主要是透过对单个程 序进行分柝，选取适当的程序片段，通过经过控制的编译过程，将选定的程序片 段分配到s e r a t c h p a dm e m o r y 上。研究结果表明，通过s e r a t c h p a dm c 江n o r y 进行优 化，能够有效的提高程序运行的速度，减少程序的运行时的能耗。 但是由于只对单一的应用程序进行分析和优化，现有的研究缺少对多程序并 行的优化，也缺少对嵌入式操作系统的优化研究。因此，现有的研究具有较大的 局限性，尽管能够在一定程度上提高系统性能，但是对s e r a t c h p a dm e m o r y 的利 用率不高，著实际使用的可行性较少，。 本文关注s c r a t c h p a dm e m o r y 的有效使用，本文的主要内容是研究基于 s c r a t c h p a dm e m o r y 的嵌入式系统优化，通过对嵌入式操作系统进行优化，多道程 序共享s c r a t c h p a dm e m o r y 的优化以及对m p s