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30000字硕士毕业论文基于混沌网络的嵌入式软件功耗优化分析

论文类型:硕士毕业论文
论文字数:30000字
论点:功耗,系统,研究
论文概述:

研究的背景与意义研究的背景近年来,随着移动设备、嵌入式设备的普及,计算机芯片工作频率和系统复杂度的不断提高,功耗最小化成为电路和系统中最主要的设计目标之一。而软件功能的不

论文正文:

基于混沌网络的嵌入式软件功耗优化分析

2绪论       研究的背景与意义研究的背景近年来,随着移动设备、嵌入式设备的普及,计算机芯片工作频率和系统复杂度的不断提高,功耗最小化成为电路和系统中最主要的设计目标之一。而软件功能的不断增强以及软件在系统中所占比重的不断增大,使得软件功耗成为降低嵌入式系统能耗的重要技术。随着移动处理、嵌入式应用的大量涌现,以及通用微处理器工艺水平和主频的不断提升,双核乃至四核的出现,功耗日益成为设计者必须关心的问题,功耗问题也己成为制约处理器发展的一个重要瓶颈。以往对电子系统的研究主要集中于在满足功能需求的前提下提高系统的性能。随着几十年来电子技术的不断演进,特别是半导体电子器件的性能遵循着摩尔定律以每Is个月翻一番的速度快速增长,电子系统的性能已经得到了极大的改善。      目前,电子系统设计者面临的新挑战是如何在保证功能和性能的基础上尽可能地降低系统的能耗。电子系统的能耗来源于系统内部的电子器件消耗的电能。在这些电能被转换为系统需要的其他能量形式的同时,有相当一部分电能转换为了热能。这部分热能在电子系统中往往是没有用处的,而且还会产生一些干扰,比如积聚过多的热量会导致电子系统的工作温度升高,影响电子器件的电气性能。传统的减少其影响的手段有利用散热系统等,而低能耗技术则是从根本上解决这个问题的方法。在能耗研究领域,有功耗((Power)和能耗(Energy)两个概念,其中功耗是指系统在单位时间内的能耗。不同的研究领域会针对研究侧重点的差异具体选择使用哪个概念。能耗研究主要从以下三个方面着手[Cll0Cl)嵌入式系统的低功耗技术。嵌入式系统,尤其是手持计算设备(例如移动电话)是功耗敏感的领域。该领域的研究主要考虑了用于给系统提供能量的电池系统受到重量和体积的严格限制,储能能力有限的约束,必须进行电子器件的低功耗技术研究。通过优化设备在单位时间内的能量消耗,来尽可能多地延长有限电源情况下系统的使用时间。(2)便携式设备的供电系统技术。便携式设备(例如笔记本电脑)与嵌入式系统相比,对系统的重量和体积的要求有所降低。因为便携式系统采用的电子器件在电气性能等方面与嵌入式系统相近,所以在该领域的能耗研究主要集中在研发高供电能力的电池系统等,以提高系统的便携能力。      C3)桌面系统和大型机系统的散热技术。相比较前两类电子系统,这类系统(如个人电脑)采用的电子器件在工艺上(如器件采用的线宽)的要求有所降低,功耗较小。同时它们往往有固定的供电系统供给充足的电力,不必担心电源问题。这类系统的特点是运行持续时间长,计算工作量大,所以该领域的研究需要关注系统的能耗问题,主要是系统的散热技术。通过上面的分析可以看出,在当前主流的3大类电子系统的能耗研究中,针对电子器件的研究主要是针对嵌入式系统的低功耗技术。这也是嵌入式系统领域当前的研究热点之一。近年来随着微处理器的集成度不断增长,其性能有了显著的提高,但芯片的功耗也在不断增加。功耗的增加不仅制约了微处理器集成度的增长,并且需要复杂的冷却技术而使成本提高。功耗日益成为信息系统设计者必须关沙,}L}的问题,功耗问题业已成为处理器发展的一个重要瓶颈,因此低功耗设计应运而生。      功耗问题越来越严重,因此功耗优化问题必然会成为主流,当今功耗问题表现的是非常严重的,随着时代的进步,计算机不断更加的平民化,随之而来,其消耗的能量必然也十分巨大,有数据统计,在1992年,全国大约有87M个cpu,功耗约为160M瓦特,而到了2001年,短短的几年,既有了SOOM个cpu,功耗大约为9000M瓦特,而我们国家强大的电力工程三峡水利工程的装机容量也就才1160M瓦特。通过对比Alpha系列处理器的功耗情况,也能够看出功耗问题的严重性,如表1.1所示[(2l0表1Tab.l.lAlpha处理器的功耗比对ComparisonofAlphaprocessorAlpha型号21064211642126421364峰值功耗(W)频率(MHz)Die大小(mm2)供应电压(V)由表中数据可以看出,随着Alpha处理器的不断先进,其峰值功率不断提高,频率也不断加大,也就说功耗的问题是越来越显著。然而在处理器的设计过程中,功耗和性能一般是没有办法同时兼顾的。在便携式嵌入式产品中,关键的因素是电池的寿命  参考文献[I]杨德.Cache低功耗技术研究及SimpleScalar模拟器分析(硕士学位论文)[D].内蒙古:内蒙古大学,2007.[2〕范东睿.低功耗嵌入式处理器设计研究(博士学位论文)[D].北京:中国科学院研究生院,2005. P R Panda, N Dutt, and A Nicolau. Efficient utilization of scratch pad memory in embedded processor applications[A].Proceedings of the Conference on Design, Automation and Test in Europe[C].  Ching-Long Su, Chi-Ying Tsui, Alvin M. Despain. Low power architecture design and compilationtechniques for high-performance processors[J].IEEE,1994.[5〕陈嘉,董渊,杨阳等.基于指令聚类与指令调度的嵌入式软件功耗优化研究[’].小型微型计算机系统,2006,27( I ):175-179.陈吉华,李少青,孙绪红等.VLSI的门级低功耗设计优化技术[[J].计算机应用,2000,51. P.A. Beerel, T.H.Y. Meng, Automatic Gate-level Synthesis of Speed-Independent Circuits[C], inProceedings of ICCAD,1992:581-586. Munch M, Wurth B. Automating RT-level Operand Isolation to Minimize Power Consumption in Datapaths, Design, Automation and Test[J],in Europe, 2000.李佳,徐勇军,李晓维等.体系结构级功耗分析方法[[J].计算机仿真学报,2004,16(12):2821-2827.Kim N S, Austin T, Blaauw D, etc. Leakage Current: Moore\'s Law Meets Static Power[J]. Computer,2003, 36(12):68-75.董鹏,陈胜利,王晓东等.纳米/亚微米级粒度标准物质的研究[[J].中国粉体工业,2006,6:19-22Xie F, Martonosi M, Malik S. Compile-Time dynamic voltage scaling settings: Opportunities and limits[C]. In: Proc. Of the ACM SIGPLAN 2005 Conf. on Programming Language Design [ 13] Hsu CH, Kremer U, Hsiao M. Compiler-Directed dynamic voltage/frequency scheduling for energyreduction in microprocessors[C]. In: Proc of the Int\'I Symp. on Low Power Electronics andHsu CH. Compiler-Directed dynamic voltage and frequency scaling for CPU power and energyreduction [PH.D. Thesis]. New Brunswick: State University of New Jersey,2003.[IS]Fan XB, Ellis CS, Lebeck AR. The synergy between power-aware memory systems and processor voltage scaling[C]. In: Proc. Of the Workshop on Power-Aware Computer System(PACS 2003),[16]马彦霞,陈玉国,司爱国.PLC中将格雷码转换成二进制码一种运算方法[[J].微计算机信息,2006,10:100-1 O I.[ 17] Vivek Tiwari, Shaarad Malik, Andrew Wolfe. Compilation techniques for low energy[J].IEEE,1999.[18]陈燕,董世娜,赵宏杰.影响电解电容器漏电流的因素[[J].电子产品可靠性与环境试 验,2007,25(6):64-66.[19]刘丽妹,姜惠君,莫文玲等.PN结正向电流一电压关系的一种简洁阐述[fJl,物理与工程,2008,18(3 ):62   摘要 4-5 Abstract 5 1 绪论 8-15     1.1 研究的背景与意义 8-10         1.1.1 研究的背景 8-10         1.1.2 研究的意义 10     1.2 功耗的来源 10-11     1.3 研究的国内外现状 11-12     1.4 主要面临的问题 12-13     1.5 论文的主要工作和组织结构 13-15         1.5.1 论文的主要工作 13         1.5.2 论文的组织结构 13-15 2 嵌入式功耗优化技术与复杂网络介绍 15-29     2.1 嵌入式系统简介 15     2.2 嵌入式功耗优化技术介绍 15-23         2.2.1 硬件级功耗模型 15-19         2.2.2 软件级功耗模型 19-22         2.2.3 编译优化 22-23     2.3 复杂网络的相关介绍 23-28         2.3.1 复杂网络的概念及其发展历程 23-24         2.3.2 复杂网络的特征 24-25         2.3.3 复杂网络的应用 25-28     2.4 本章小结 28-29 3 基于复杂网络的优化模型 29-33     3.1 证明DFG图是复杂网络 29-31     3.2 算法中用到的复杂网络性质 31-32     3.3 本章小结 32-33 4 基于复杂网络的优化算法及实验测试 33-43     4.1 算法提出 33     4.2 提取DFG图 33-34     4.3 自动生成测试用例 34-35     4.4 功耗优化算法 35-37         4.4.1 算法1 35-37         4.4.2 算法2 37     4.5 功耗优化算法评估 37-42     4.6 本章小结 42-43 5 Sparc仿真集成 43-52     5.1 Sparc仿真项目介绍 43-44         5.1.1 Sparc芯片 43         5.1.2 仿真开发相关 43-44     5.2 Sparc仿真展示 44-51     5.3 本章小结 51-52 结论 52-53 参考文献 53-56 攻读硕士学位期间发表学术论文情况 56-57 致谢 57-58