Thạc Sĩ Nghiên cứu các phương pháp để giảm thiểu năng lượng trong phát triển hệ thống nhúng

3



MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT 6
DANH MỤC CÁC BẢNG . 7
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ . 7
DANH MỤC CÁC KÝ PHÁP . 8
MỞ ĐẦU . 9
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 11
1.1 Giới thiệu về hệ thống nhúng 11
1.1.1 Hệ thống nhúng . 11
1.1.2 Phần mềm nhúng . 12
1.1.3 Hệ thống nhúng thời gian thực 12
1.2 Đặc điểm khác biệt giữa phần mềm nhúng và phần mềm thông
thường 14
1.3 Ứng dụng của hệ nhúng . 15
1.4 Xu hướng phát triển của các hệ thống nhúng . 16
1.5 Những thách thức và các vấn đề còn tồn tại 16
1.6 Một số hướng tiếp cận tối ưu trong hệ thống nhúng 17
1.6.1 Tối ưu hiệu năng . 18
1.6.2 Tối ưu năng lượng . 21
1.6.3 Tối ưu kích thước 21
1.6.4 Tối ưu chi phí 22
CHƯƠNG 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢM THIỂU NĂNG
LƯỢNG TRONG HỆ THỐNG NHÚNG 23
2.1 Khái niệm về giảm thiểu năng lượng . 23
2.2 Mục đích của việc giảm thiểu năng lượng . 25
2.3 Vấn đề tối ưu năng lượng trong hệ thống nhúng . 25
2.4 Một số hướng tiếp cận tối ưu dựa trên mã nguồn mức cao . 26
2.4.1 Các kỹ thuật tiết kiệm năng lượng 26
2.4.1.1 Lập trình chọn chế độ CPU 26 4



2.4.1.2 Điều khiển tần số đồng hồ . 27
2.4.1.3 Truy xuất bộ nhớ mở rộng . 27
2.4.1.4 Tối ưu năng lượng bằng phương pháp đại số ký hiệu . 27
2.5 Một số hướng tiếp cận tối ưu dựa trên lập lịch lệnh hợp ngữ 28
2.5.1 Ước lượng điện năng của phần mềm. . 28
2.5.2 Sinh mã năng lượng thấp 29
2.5.3 Thuật toán lập lịch danh sách cho bài toán giảm điện năng . 29
2.5.4 Giảm thiểu chuyển mạch của phần cứng nhờ lập lịch lệnh 29
2.5.5 Bài toán người đưa hàng áp dụng cho lập lịch năng lượng thấp 30
2.5.6 Lập lịch đàn hồi cho điện năng thấp . 30
2.5.7 Lập lịch để giảm điện năng trên hệ thống bus ngoài (off-chip) 31
2.5.8 Lập lịch kết hợp 2 mục tiêu điện năng và hiệu năng 31
2.5.9 Thuật toán lập lịch tới hạn và phi tới hạn cho mục tiêu giảm điện
năng 31
2.5.10 Thuật toán tối ưu bầy đàn cho bài toán lập lịch điện năng thấp . 32
2.6 Một số hướng tiếp cận tối ưu dựa trên truy xuất bộ nhớ, thanh ghi 32
2.6.1 Giảm thiểu truy cập bộ nhớ . 32
2.6.2 Cấp phát thanh ghi bằng tô màu đồ thị . 32
2.6.3 Phân cấp bô ̣ nhớ cache 33
CHƯƠNG 3. PHƯƠNG PHÁP TỐI ƯU ĐIỆN NĂNG TIÊU THỤ
CỦA HỆ THỐNG NHÚNG DỰA TRÊN KỸ NGHỆ NGƯỢC VÀ
TÁI CẤU HÌNH CPU 35
3.1 Giới thiệu phương pháp 35
3.2 Mô hình tối ưu và giải thích phương pháp . 36
3.2.1 Mô hình tối ưu tổng thể . 36
3.2.2 Giải thích phương pháp tối ưu 37
3.3 Triển khai phương pháp tối ưu . 39
3.3.1 Dịch ngược mã thực thi sang hợp ngữ 39
3.3.2 Phân tích mã ngược, hồ sơ CPU và tái cấu hình . 39
CHƯƠNG 4. THỰC NGHIỆM 43
4.1 Công cụ và mô hình thực nghiệm 43
4.2 Bộ chương trình thực nghiệm 44
4.3 Quy trình thực nghiệm . 44 5



4.3.1 Tạo bộ chương trình thực nghiệm . 44
4.3.2 Dịch ngược từ mã thực thi sang assembly 46
4.3.3 Thực hiện chương trình tìm cấu hình tối ưu . 47
4.3.4 Thực thi mô phỏng trong Sim-Wattch để ước lượng năng lượng . 47
4.4 Đánh giá kết quả thực nghiệm 49
4.5 So sánh kết quả thực nghiệm với phương pháp khác 51
CHƯƠNG 5. KẾT LUẬN 53
Kết quả đạt được . 53
Hạn chế và vấn đề chưa giải quyết 54
Hướng phát triển . 54
TÀI LIỆU THAM KHẢO . 55
PHỤ LỤC A. MỘT SỐ LỆNH THỰC THI 59
A.1. Yêu cầu chuẩn bị môi trường 59
1. Platform . 59
2. Bộ mã nguồn để tạo chuỗi công cụ phát triển chéo 59
a. Cài đặt Simplesim 59
b. Cài đặt Simpleutils-990811 . 59
c. Cài đặt GCC Cross-Compiler cho kiến trúc SimpleScalar . 59
A.2. Công cụ mô phỏng điện năng Sim-Wattch . 62
PHỤ LỤC B. MỘT SỐ CHƯƠNG TRÌNH DÙNG MÔ PHỎNG 63
PHỤ LỤC C. MỘT SỐ CÔNG TRÌNH KHOA HỌC LIÊN QUAN
78