面向WCET估计的Cache分析研究综述

实时系统时间分析的首要任务是估计程序的最坏情况执行时间(worst-case execution time,简称WCET).程序的WCET 通常受到硬件体系结构的影响,Cache则是其中最为突出的因素之一.对面向WCET计算的Cache分析研究进行了综述,介绍了经典Cache分析框架与Cache分析核心技术,并从循环结构分析、数据Cache分析、多级Cache分析、多核共享Cache分析、非LRU替换策略分析等角度介绍了Cache分析在不同维度上的研究问题与主要挑战,总结了现有技术的优缺点,展望了Cache分析研究的未来发展方向.     

一种面向实时系统的程序基本块指令预取技术

面向通用计算机系统的指令预取技术无法满足实时系统的应用需求,其中一个重要原因是：无效预取引起的指令Cache内容污染使得实时任务WCET评估值不够精确,导致系统可调度性下降,严重影响系统效率.以简化实时任务WCET分析、降低任务WCET评估值为目标,提出一种基于程序基本块的指令预取方法.该方法以基本块为粒度执行指令预取,避免了传统指令预取技术引入的无效预取;通过简化最坏情况下的指令访问命中/缺失情况判定,简化任务WCET分析过程并优化WCET评估值.实时基准测试程序评估结果表明：与常规无预取方法相比,该预取方法可使实时任务WCET评估值降低约20%,平均执行情况下的指令Cache访问性能提升约10%.     

基于多级一致性协议的多核处理器WCET分析方法

由于多核处理器优越的计算性能,多核处理器现已广泛应用在嵌入式实时系统中.相对于单核处理器,多核处理器存在资源共享竞争、并行任务干扰等因素,尤其是缓存（Cache）一致性问题,导致任务最坏情况执行时间（worst-case execution time,WCET）的预测更加困难.基于以上因素,提出基于多级一致性协议的多核处理器WCET分析方法.该方法针对多级一致性协议体系架构,提出多级一致性域的概念,将多核处理器的数据访问分为域内访问和跨域访问2个层次,根据Cache读写策略和MESI(modify exclusive shared invalid)一致性协议,得出一致性域内部和跨一致性域的Cache状态更新函数,从而实现多级一致性协议嵌套情况下的WCET分析.实验结果表明,在改变Cache配置参数的情况下,该方法分析结果与GEM5仿真结果的变化趋势一致,经过相关性分析,GEM5仿真结果与该方法分析结果相关性系数不低于0.98;在分析精度方面,该方法的平均过估计率为1.30,相比现有方法降低了0.78.     

多核处理器中基于Radix-Join的嵌套循环连接优化

针对目前主流的多核处理器,研究了基于共享Cache多核处理器的数据库Nested Loop Join(NINLJ)优化.针对无索引情况下的NLJ,提出了基于Radix-NL-Join算法的NLJ多线程执行框架.从减少Cache访问冲突和提高Cache命中率两个方面优化了NINLJ多线程执行框架中的聚集划分和聚集连接线程.主要贡献如下:1.针对多线程访问共享Cache容易出现共享Cache访问冲突的问题,优化了聚集划分阶段的多线程聚集划分线程的启动时机;2.针对聚集连接阶段,聚集连接线程Cache访问性能不佳,利用聚集连接线程顺序访问聚集的优势,采用预取线程提高聚集连接线程的性能;3.在实验中,基于开源数据库EaseDB实现了上述多线程执行框架,测试了多线程NLJ的性能.实验结果表明,提出的NLJ多线程执行框架,可以充分利用多核处理器的计算资源,并有效地解决共享Cache在多线程条件下的Cache访问冲突问题,大大提高了NLJ的性能,相对于未采用Cache优化的多线程Radix-NL-Join算法,其性能提升了26%左右.     

面向WCET分析的实时多核体系结构研究

随着工艺技术的发展以及嵌入式实时应用范围的不断扩大和需求的不断提升,多核处理器必将凭其高性能和低功耗特性应用到嵌入式实时领域中。但是,多核处理器体系结构很难甚至无法满足实时系统的实时限制和对WCET的可预测性要求。从多核中的共享资源入手,分析多核中的片上共享资源（共享Cache、片上互连）和片外共享资源（片外存储）对WCET分析的影响,探讨了各种干扰下的WCET分析方法。介绍了两种多核WCET分析模型：多核静态WCET分析模型和多核混合WCET分析模型;同时,针对嵌入式实时应用提出了多核设计原则。     

基于横向局部性的多核计算模型

片内多核已成为延长摩尔定律的方式,并行算法设计、编程模型、编译器和运行时系统都需要利用计算模型进行分析。现有多核模型对线程间共享缓存等资源的竞争已有较精确的模型,但是对于线程间数据共享考虑较少。提出线程间共享缓存的横向局部性和任务共享率概念,基于此扩展串行存储层次模型RAM(h),提出考虑任务共享率的多核并行计算模型MRAM(h)。     

用于WCET静态分析的MIPS处理器建模方法研究

为获得安全而紧致的WCET估计，需要考虑执行程序的目标处理器的体系结构特征．Cache、流水线等用于提高性能的技术已经广泛地应用于现代处理器中，如果在静态分析过程中不考虑它们带来的影响，必然会导致WCET过估计．以Petri网作为模型工具，以WCET分析为应用目标构造MIPS处理器的体系结构模型，该方法讨论了各种RISC处理器中常见的体系结构特征的抽象以及它们在Petri网模型中的表示方法．通过实验验证，指令序列在Petri网模型上的模拟执行时间与指令序列在DLXView模拟器上的测试结果具有一致性，表明构建处理器的体系结构Petri网模型是一种有效的指令序列执行时间的静态分析方法．     

基于指令Cache作废的多核处理器同步技术

共享存储多核处理器中“忙-等待”技术常用来实现锁或栅栏等同步操作,这些典型的同步机制通常受限于较长的同步延迟和资源竞争等问题,导致扩展性较差,且需要不时进行访存操作,影响正常存储器访问操作,加剧对存储系统的带宽需求。提出了一种用于同步数据触发结构多核处理器的基于指令Cache作废的同步技术,同步时作废将执行的指令Cache行导致取指失效,向L2 Cache发送取指请求,L2 Cache中设置相应的过滤机制,不服务不满足同步条件的处理器核的取指请求,使相应处理器核暂停,达到同步目的。测试表明,该方法在可扩展性和同步性能方面均具有一定的优势。     

同时多线程处理器上的Cache性能分析与优化

同时多线程(SMT)是一种延迟容忍的体系结构,它在每个周期内可以执行多个线程的多条指令.在SMT处理器上,对于片上共享存储这个复杂的结构资源,至今还没有很好的共享和冲突解决方案.本文着重研究了在多个并发执行的线程间划分共享Cache所存在的问题,指出基于LRU策略的传统Cache会根据需要隐式地划分共享Cache,这在某些情况下会导致全局性能的下降.针对这一问题并且考虑到SMT处理器上对Cache访问带宽的需求,本文提出采用一种多模块多体的Cache结构设计方案.并且在一个修改过的SMT模拟器上对该设计方案进行了性能评价.实验结果显示,相比于基于LRU策略的传统Cache,这一结构可以将一个4路SMT处理器的IPC提高9%.     

面向多线程多道程序的加权共享Cache划分

并行应用在共享Cache结构的多核处理器执行时,会因为对共享Cache的冲突访问而产生性能下降和执行时间不确定的现象.共享Cache划分技术可以把共享Cache互斥地分配给多个进程使用,是解决该问题的有效方法.由于线程间的数据共享,线程数目不同的应用对共享Cache的利用率不同,但传统的以失效率最低为目标的共享Cache划分算法(例如UCP)没有区分应用线程数目的不同.文中设计了一种面向多线程多道程序的加权共享Cache划分框架(Weighted Cache Partitioning,WCP),包括面向应用的失效率监控器和加权Cache划分算法.失效率监控器以进程为单位动态监控在不同的Cache容量下应用的失效率;而加权Cache划分算法扩展了传统的失效率最优的Cache划分算法,根据应用线程数目的不同在进行Cache划分时给应用赋予不同的权值,以使具有更多线程的应用获得更多的共享Cache,从而提高系统的整体性能.实验结果表明:加权Cache划分算法虽然失效率有所增高,但却改进了IPC吞吐率、加权加速比和公平性.在由科学和工程计算应用组成的多道程序测试用例中,WCP-1的IPC吞吐率比以失效率最低为目标函数的共享Cache划分算法最高高出10.8%,平均高出5.5%.     

基于JSP分页技术的研究

电子商务应用中的数据量往往非常大,甚至会达到几十万到几千万条记录的规模,将如此大量的数据显示在一个页面里困难大、效率低。在这种情况下就需要采用分页显示技术将数据库中符合条件的数据逐页显示给用户。对JSP分页技术进行比较,在分析JSP分页技术特点的基础上,提出一种有效的分页解决方案,同时对分页技术的优化进行阐述。     

系统集成芯片综述

集成电路芯片工艺的发展已可使一个系统或一个子系统集成在一个芯片上 ,称为系统集成芯片。本文综述了系统集成芯片的硬件构造、超长指令 (VLIW )结构、芯片嵌入软件及软硬件协同设计方法。     

基于VRML的网上虚拟教室漫游研究

以一个虚拟教室为例进行3D虚拟漫游的初步设计．这种方式不同于目前网上的虚拟教室。介绍在WWW上采用VKML实现虚拟教室漫游系统的特点、VRML的工作模式和造型机制,采用了基于几何图形的建模方法,探讨场景中交互设计实现的方法,提出碰撞检测技术的应用．实现网上发布和优化。     

Hibernate技术在基于GIS数据库中的应用研究

空间信息的存储和处理问题是地理信息系统(GIS)的核心问题.对空间数据和属性数据的统一存储管理已成为必然趋势.本文通过对GIS中海量数据的存储方式进行研究,指出对象-关系型的数据库存储方式是空间数据库的发展方向.在此基础上讨论了Hibernate技术与GIS数据库的结合,使用Hibernate技术将关系数据库中空间数据和属性数据进行封装,屏蔽了数据库底层操作,使得程序员可以用面向对象的思想随意操纵数据库,在利用了关系数据库的快速检索、查询能力的同时也增强了数据的一致性和可移植性.     

基于SVG的WEBGIS的研究

为了更加适合网上地理信息系统的发布 ,介绍了 SVG作为发布 WEBGIS的一种方法 ,研究了如何用SVG进行地理空间数据的表示、存储和客户端的实现。研究表明 :SVG具有可扩展、可交互、基于 XML和开放标准等特点     

面向Web的文本挖掘技术研究

简要介绍了文本挖掘技术,并描绘了该技术在Web应用特别是信息检索技术中的重要性.再对整个文本知识挖掘过程所涉及的各个方面进行了进一步地研究探讨,包括了文本特征的建立、特征提取、特征匹配、特征集缩减和模型评价等几个方面.其间运用数据挖掘技术对各个过程进行处理,并引进基于评估函数的特征筛选算法、词频矩阵、余弦计算法和潜在语义标引等方法来处理文本挖掘过程所产生的问题.在此基础上得出了一个完整的Web文本挖掘过程.最后展望了文本挖掘技术在Web应用中的前景.     

基于移动agent的分布式视频点播系统的研究

该文通过对移动agent技术和传统的视频点播系统的研究,提出了一种基于移动agent的分布式视频点播系统的设计和构造,具体地阐述了系统的工作流程,并着重讨论了实现该系统所要考虑的关键问题。移动agent的引入有效地减少了网络传输负载,实现了高速响应点播请求、高质量的影音效果,从而更好地满足更多用户的需求。     

基于FPGA的立方星可重构星载处理系统研究

为了以最小代价提高立方星可重构星载计算机的可靠性,提出了一种基于FPGA的立方星可重构星载处理系统架构。首先,在对国内外微纳卫星星载计算机设计特点进行分析的基础上,分别采用基于SRAM架构和基于Flash架构的FPGA作为核心处理模块与外部表决接口模块,兼顾了系统的运算速度与可靠性。其次,针对可重构星载处理系统中所涉及的可重构策略、在线重构技术以及系统同步技术进行了详细设计。最终,基于所设计硬件系统上进行的测试以及在轨的实测数据验证了该架构的可靠性和有效性。     

基于链上数据的区块链欺诈账户检测研究

针对区块链上存在的欺诈账户给交易带来的安全问题,提出了基于机器学习的欺诈账户的检测及特征分析模型,将以太坊上真实的链上数据进行特征提取后作为模型的数据来源,通过对不同的机器学习方法进行比较得到最优模型并进行迭代训练以获得最佳的预测模型,同时引入 SHAP值对数据特征进行分析。实验结果表明,基于XGBoost的欺诈账户检测模型在RMSE、MAE和R2三组指标上达到了0.205、0.084和0.833,优于其余的对比模型,并结合SHAP值识别出预测欺诈账户的关键因素,为区块链的交易安全提供决策参考。     

基于LabVIEW的钢杆裂纹定量检测的研究

介绍基于LabVIEW的钢材表面裂纹定量检测原理，设计了基于LabVIEW的钢杆裂纹定量检测系统，并对钢杆表面横向裂纹缺陷进行模拟实验，初步建立数学模型，通过评判Vpp得到反映裂纹状况的定量检测结果，从而验证了该方法的可行性和有效性，并得出相关的结论。