20、自适应多核系统中的缓存内存资源管理与UML映射研究

echo99

于 2025-10-31 16:36:58 发布

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分类专栏：嵌入式系统设计前沿文章标签：自适应多核系统缓存内存资源管理 UML映射

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自适应多核系统中的缓存内存资源管理与UML映射研究

按需分配的性能与能源结果

在多核系统中，按需分配内存资源是一个重要的研究方向。下面通过两个表格展示了按需分配的性能和能源结果。

重分配点	核心数量	运动估计	矩阵乘法	JPEG	归并排序	总体
10%	16	3%	3%	-4%	-2%	1.2%
	32	2%	2%	-5%	-3%	0.1%
	64	1%	2%	-6%	-5%	-0.6%
25%	16	18%	11%	-3%	-3%	12%
	32	12%	7%	-8%	-6%	6%
	64	7%	5%	-10%	-7%	3%
50%	16	23%	17%	-9%	-2%	18%
	32	20%	14%	-14%	-5%	14%
	64	16%	10%	-20%	-8%	11%
75%	16	-5%	-3%	-2%	-3%	-3.5%
	32	-3%	-2%	-1%	-2%	-2.3%
	64	-2%	-1%	-1%	-1%	-1.4%

从性能结果表格可以看出，不同的重分配点和核心数量对不同应用的性能影响差异较大。例如，在重分配点为25%和50%时，多数应用能获得较好的性能提升；而在75%重分配点时，部分应用出现性能下降。

重分配点	核心数量	运动估计	矩阵乘法	JPEG	归并排序	总体
10%	16	4%	5%	-5%	-2%	2%
	32	1%	3%	-6%	-4%	0.6%
	64	1%	2%	-7%	-6%	-0.2%
25%	16	20%	12%	-3%	-4%	13%
	32	19%	7%	-8%	-7%	9%
	64	8%	7%	-9%	-6%	4%
50%	16	25%	21%	-9%	-3%	22%
	32	23%	19%	-15%	-8%	18%
	64	18%	12%	-22%	-10%	13%
75%	16	-7%	-6%	-3%	-4%	-5.6%
	32	-4%	-4%	-2%	-3%	-3.7%
	64	-3%	-2%	-3%	-1%	-2.3%

能源结果与性能结果呈现相似的模式，但能源节省略高于性能提升。这可能是因为访问外部内存的能源成本高于时间访问惩罚。然而，在执行到75%时进行重分配的惩罚更高。

TargetLink工具与UML映射

在嵌入式系统开发中，UML（统一建模语言）和Simulink是常用的建模工具。TargetLink是Matlab/Simulink的一个工具箱，可通过一键操作从Simulink模型生成批量生产代码。

TargetLink数据字典元素

TargetLink数据字典用于参数化和描述TargetLink模型中使用的所有元素，以下是与UML映射相关的元素：
- Pool ：TargetLink数据字典分为Config、Pool和Subsystem三个区域，本文只考虑Pool区域。该区域包含代码生成所需的所有数据元素，如定点变量的缩放值或变量的类型定义。
- Blocks ：是TargetLink数据字典的主要元素，对代码生成至关重要。基于块的描述，可以直接从TargetLink数据字典生成Simulink块。本文主要关注TL Function类型的块，它们代表待开发软件组件的基础架构。
- Signature和SignaturePort ：Signature包含Signature - Ports，Signature - Ports分为输入、输出和用户端口。Signatures用于描述TL Function块的可用输入和输出端口。用户端口可根据不同用例自由配置，端口可用于连接TL Function块和变量。
- Variable ：用于在不同TL Function块之间交换信息。变量的属性定义了生成代码中的外观，其实际类型由Typedef元素定义，值范围可通过Scaling元素设置。
- Typedef ：指定Variable元素的数据类型，在TargetLink数据字典中由变量引用。
- Scaling ：用于定义变量的值范围，在定点代码生成时很有必要，还可定义最低有效位（LSB）、偏移量和物理单位的值。

mermaid图如下：

graph LR;
    Pool --> TL Function Block;
    Pool --> Variable;
    Pool --> Signature;
    TL Function Block --> Signature;
    Signature --> Signature - Port;
    Signature - Port --> Variable;
    Variable --> Typedef;
    Variable --> Scaling;

这个流程图展示了TargetLink数据字典中各元素的关系。从图中可以清晰看出，变量相对独立，而TL Function块通过Signature和Signature - Port与变量相连接。

原型TargetLink模型在UML中的表示

为了将TargetLink模型映射到UML，选择了复合结构图。复合结构图可以描述类的内部结构或不同类之间的协作，它有结构 - 动态视图和结构 - 静态视图。静态视图中，系统先被划分为子系统，子系统再分为组件，每个组件包含多个带属性的类。

复合结构图的元类包括类、部分、端口、接口和连接器。类是对象的构建计划，部分用于将类划分为子集，部分可通过端口扩展以实现元素间的通信，连接器用于连接不同部分的端口。

原型将系统分为系统级和变量级。系统级可描述TL Function块、Signatures和Signature - Ports，变量级描述变量、Typedefs和Scalings。在UML中，TL Function块被描绘为部分，Signature - Ports被映射到UML Ports，这样就实现了将TargetLink数据字典元素映射到UML元素的目的。通过这种映射，可以复用架构模型的属性，并将其注释到TargetLink模型中，用于后续的自动代码生成。

自适应多核系统中的缓存内存资源管理与UML映射研究

内存聚类概念及整体效果

内存聚类的核心思想是，由于不同应用程序对内存的需求不同，为那些耗时较长的应用程序预留更多的内存资源（实际上是L2缓存），并从对内存需求不那么高的应用程序中获取这些资源。整体实验结果表明，根据内存资源重新分配的时间点不同，整个系统在性能和能源利用方面都有提升的空间。

在之前的实验中，已经确定了对于特定实验，在系统整体执行时间的25%和50%这两个时间点进行重新分配能取得较好的效果。然而，在实际情况中，如果对应用程序没有先验知识，最佳的重新分配时间点可能会有所不同。

未来研究方向

确定内存重新分配的最佳时机 ：后续将研究其他方法来确定内存重新分配的最佳时刻。目前的实验虽然找到了特定实验下的最佳重新分配时间点，但在缺乏应用程序先验知识的情况下，最佳时间点可能会改变。例如，可以通过监测系统的实时负载、内存使用情况等指标来动态确定重新分配的时机。
分析缓存缺失情况 ：进一步研究重新分配时间点前后的缓存缺失情况，以更好地刻画初始性能损失的原因以及内存重新分配的效果。这有助于深入理解内存重新分配对系统性能的影响机制，从而优化内存资源的管理策略。

UML与TargetLink映射的优势及应用场景

在实际应用中，这种映射方式尤其适用于安全关键项目，如汽车行业和航空航天领域的嵌入式系统开发。在这些领域，对代码的质量和可靠性要求较高，通过UML和TargetLink的映射，可以更好地实现从系统设计到代码生成的无缝过渡。

总结与展望

综上所述，内存资源管理和UML与TargetLink的映射在嵌入式系统开发中都具有重要的意义。内存聚类方法通过合理分配内存资源，为系统的性能和能源利用带来了提升的潜力。而UML与TargetLink的映射则为嵌入式系统的开发提供了一种有效的方式，能够提高开发效率、保证代码质量。

未来，随着嵌入式系统的不断发展和复杂化，对内存资源管理和建模工具的要求也会越来越高。我们需要不断探索新的方法和技术，进一步优化内存资源的分配策略，完善UML与TargetLink的映射机制，以满足日益增长的开发需求。同时，也需要加强不同领域之间的交流与合作，共同推动嵌入式系统开发技术的进步。

mermaid图如下：

graph LR;
    A[嵌入式系统开发] --> B[UML建模]
    A --> C[Simulink建模]
    C --> D[TargetLink代码生成]
    B --> E[UML与TargetLink映射]
    D --> E
    E --> F[高质量代码]

这个流程图展示了嵌入式系统开发中从建模到代码生成的整个过程，以及UML与TargetLink映射在其中的关键作用。通过这种方式，可以确保开发出高质量的嵌入式系统代码。