硬件多线程处理器的便签存储器分配策略的设计与实现

摘要

外围设备的管理是嵌入式微处理器的主要工作负荷之一，而高效管理多路外围设备是体现系统实时性能的标志。硬件多线程处理器支持多中断任务并发执行，中断延迟固定。同时，便签存储器访存效率高且访存延迟确定。硬件多线程处理器和便签存储器非常适合构建高实时系统。但是现有的便签存储器分配策略大多不适用于硬件多线程处理器，无法发挥硬件多线程处理器的高实时性优势。
　　本文以缩短程序最差情况执行时间为目标，设计了一种硬件多线程处理器的指令和数据SPM分配策略。在硬件多线程处理器中，当多个硬件线程同时执行时，线程将相互竞争执行资源，单个线程的指令流水被不停打断。针对这种线程间干扰问题，本文提出了一种多线程指令流静态分析算法，能够求解单个指令节点的执行时间，并据此设计了一种迭代式指令节点SPM分配策略。本文按照数据节点访问属性不同将数据节点分为私有数据节点和共享数据节点，并采用整数线性规划算法分别设计了私有数据节点和共享数据节点的SPM分配策略。与此同时，本文基于硬件多线程处理器设计了一种以USB接口为标准的外围设备管理系统，外围设备管理系统采用了一种指令SPM独享，数据SPM虚拟共享的分区结构。最后本文根据SPM分配方案，优化了外围设备管理系统的程序和数据结构设计。
　　本文采用了软件模拟和FPGA两种验证方法。实验结果显示，在SPM资源按比例增长时，外围设备管理系统的执行时间会显著缩减。当只有50％的SPM资源可用时，外围设备管理系统的执行时间缩短了20.3％。相比于在多核处理器SPM分配策略中运用广泛的Kim算法，系统的执行时间缩减量提高了两倍。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景

1．2 国内外研究概况

1．2．1 SPM与Cache对比研究

1．2．2 便签存储器的应用实例

1．2．3 追求高实时性能的便签存储器分配算法的相关研究

1．3 课题来源与研究内容

1．3．1 课题来源

1．3．2 研究内容

1．4 论文组织

第二章 硬件多线程处理器与SPM分配算法综述

2．1 硬件多线程处理器

2．1．1 硬件多线程处理器整体架构

2．1．2 硬件多线程处理器内部结构

2．1．3 硬件多线程处理器的编程模型

2．2 SPM分配算法综述

2．2．1 常见的静态SPM分配算法

2．2．2 常见的动态SPM分配算法

2．2．3 高实时性的SPM分配算法

2．2．4 多核处理器架构上的SPM分配算法

2．2．5 SPM分配算法总结

2．3 本章小结

第三章 高实时性便签存储器分配算法设计

3．1 SPM分配相关基础

3．1．1 系统结构

3．1．2 程序抽象模型

3．2 整体设计思路

3．2．1 工作流程

3．2．2 SPM架构与分配算法设计要点

3．3 指令节点的SPM分配算法

3．3．1 无线程干扰时的SPM分配算法

3．3．2 多线程处理器的线程干扰问题

3．3．3 线程干扰条件下的指令节点SPM分配算法

3．4 数据节点SPM分配算法

3．4．1 问题描述

3．4．2 私有数据节点的ILP算法

3．4．3 共享数据节点的ILP算法

3．5 本章小结

第四章 SPM分配算法在外围设备管理系统的应用

4．1 基于硬件多线程处理器的外围设备管理系统

4．1．1 外围设备管理系统的整体设计

4．1．2 USB控制器驱动设计

4．1．3 USB客户端驱动设计

4．2 外围设备管理系统的SPM分配方案

4．2．1 指令节点的SPM分配方案

4．2．2 数据节点的SPM分配方案

4．3 本章小结

第五章 实验与结果分析

5．1 实验方案

5．1．1 基于Bound_t平台的WCET静态分析

5．2 实验结果

5．2．1 WCET测试集

5．2．2 外围设备管理系统

5．3 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文