Σχεδιασμός πολύπλοκων ενσωματωμένων συστημάτων με χαμηλή κατανάλωση ισχύος και υψηλές επιδόσεις

Abstract

Embedded systems are everywhere. Although it is not very long since they have been introduced into the market place, they have managed to become an essential part of our daily lives. The design and implementation of embedded systems is still an open issue posing many challenges to research engineers all over the world. Thus, the design of an embedded system is a challenge for the designer to achieve the best performance, with low power consumption, low cost and little effort. The multitude of special requirements of these systems, in conjunction with the great number of functions, that they are used for, has prompted many designers to propose a plethora of design techniques, as it can be seen in the technical and scientific literature.In this Ph.D Thesis, we deal with the problem of designing embedded systems by presenting a unified framework, consisting of four different independent methodology parts, and being a complete embedded system design methodology. These four parts are used to successfully deal with the four most important issues that hinder the achievement of high performance and low power consumption. More specifically, these parts are: (a) data memory hierarchy design, (b) instruction cache memory design, (c) improvement of memory's bandwidth, and (d) application specific circuit design. Our methodology produces efficient solutions, in terms of performance, power consumption, or both. The proposed high level methodology uses estimating techniques, in order to decide about the best implementations, regarding accuracy and speed. Estimations on eleven real-life applications, and comparisons with other researchers 's work, demonstrated the superiority of the methodology proposed in this Ph.D Thesis.

Τα ενσωματωμένα συστήματα βρίσκονται παντού. Μέσα σε λίγα χρόνια έχουν καταφέρει να εισχωρήσουν σε κάθε τομέα της ζωής μας. Όμως, παρόλη τη μεγάλη διείσδυση στην κοινωνία μας, ο σχεδιασμός και η υλοποίησή τους παραμένει ένα πρόβλημα που ταλανίζει πλήθος ερευνητών μηχανικών. Γι" αυτό το λόγο, ο σχεδιασμός ενός πολύπλοκου ενσωματωμένου συστήματος αποτελεί μια μεγάλη πρόκληση για το σχεδιαστή, προκειμένου να επιτύχει τις καλύτερες επιδόσεις, με τη χαμηλότερη κατανάλωση ισχύος, με το ανταγωνιστικότερο κόστος και το μικρότερο χρόνο σχεδιασμού. Τα ποικίλα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά των συστημάτων αυτών, σε συνδυασμό με το μεγάλο πλήθος των λειτουργιών που αυτά καλούνται να εκτελέσουν, έχουν ως αποτέλεσμα την ύπαρξη, στη βιβλιογραφία, αρκετών διαφορετικών μεθοδολογιών σχεδιασμού. Στην παρούσα Διδακτορική Διατριβή, αντιμετωπίζουμε επιτυχώς το πρόβλημα του σχεδιασμού των ενσωματωμένων συστημάτων, παρουσιάζοντας ένα ενοποιημένο πλαίσιο αποτελούμενο από τέσσερα διαφορετικά αυτοτελή τμήματα μεθοδολογίας. Η μεθοδολογία μας αποτελείται από τέσσερα τμήματα, τα οποία αντιμετωπίζουν τους τέσσερις πιο σημαντικούς παράγοντες που αποτελούν τροχοπέδη στην επίτευξη υψηλών επιδόσεων και χαμηλής κατανάλωσης ισχύος. Συγκεκριμένα, τα τμήματα αυτά είναι: (α) σχεδιασμός της ιεραρχίας της μνήμης δεδομένων, (β) σχεδιασμός της σκιώδους μνήμης εντολών, (γ) βελτιστοποίηση του εύρους ζώνης της μνήμης, και (δ) σχεδιασμός του εξειδικευμένου κυκλώματος ως προς την εφαρμογή. Οι λύσεις που βρίσκονται από τη μεθοδολογία μας, είναι βέλτιστες ως προς τις επιδόσεις ή την κατανάλωση ισχύος, ή και τα δύο. Μάλιστα, η υψηλού επιπέδου προτεινόμενη μεθοδολογία χρησιμοποιεί μοντέλα εκτιμήσεων, ώστε να καθοδηγείται γρήγορα και με ακρίβεια προς τις βέλτιστες λύσεις. Οι εκτιμήσεις έντεκα πραγματικών εφαρμογών και οι συγκρίσεις με αντίστοιχες εργασίες άλλων ερευνητών αποδεικνύουν την υπεροχή της προτεινόμενης μεθοδολογίας.