Efficient and Precise Cache Behavior Prediction for Real-Time Systems

Abstract interpretation is a technique for the static detection of dynamic properties of programs. It is semantics based, that is, it computes approximative properties of the semantics of programs. On this basis, it supports correctness proofs of analyses. It replaces commonly used ad hoc techniques by systematic, provable ones, and it allows for the automatic generation of analyzers from specifications by existing tools. In this work, abstract interpretation is applied to the problem of predicting the cache behavior of programs. Abstract semantics of machine programs are defined which determine the contents of caches. For interprocedural analysis, existing methods are examined and a new approach that is especially tailored for the cache analysis is presented. This allows for a static classification of the cache behavior of memory references of programs. The calculated information can be used to improve worst case execution time estimations. It is possible to analyze instruction, data, and combined instruction/data caches for common (re)placement and write strategies. Experimental results are presented that demonstrate the applicability of the analyses.     

一种快速有效的L2 Cache可靠性预测方法

随着集成电路工艺的不断进步,微处理器的软错误问题日益突出.体系结构弱点因子AVF(architectural vulnerability factor)作为可靠性评估指标之一,常用于软错误的评估.AVF在程序执行过程中呈现明显的动态变化特性,使得基于AVF预测的动态容错管理技术成为当前软错误研究领域的热门课题.即根据AVF的变化来动态选择是否对微处理器部件进行容错设计,从而在满足软错误可靠性要求的前提下尽量降低容错技术的开销.因此,基于L2 Cache AVF的动态特性研究,提出使用贝叶斯累加树模型BART(Bayesian additive regression trees)对L2 Cache AVF进行准确预测,并使用块搜索(bump hunting)技术来提取由少数几个性能参数组成的、对具有高L2 Cache AVF的执行阶段进行判定的规则,从而实现了对L2 Cache AVF的快速有效预测.     

航班延误预警图形组件包的设计与实现

为了给航班延误预警平台提供图形生成服务,设计并实现航班延误预警图形组件包,用于自动生成航班延误波及DAG、高级Petri网、贝叶斯网络和元胞自动机等数学模型的仿真视图,以及棒图等统计图。图形组件包包括外层服务和核心引擎两部分。外层服务生成图形XML文档,核心引擎解析该文档并渲染生成图形。图形组件包以Web服务暴露接口,以XML作为数据交换媒介,提高了互操作性和通用性。实验表明,该图形组件包可以有效满足航班延误预警平台的图形生成和表现需求。     

一种高效的光伏监控方案及发电量预测

针对市场上光伏监控系统运行效率不高、发电量预测忽略太阳辐照度以及缺少嵌入预测功能等问题,提出一种以串口服务器为数据采集网关,以面向对象的方法描述设备、以多线程的方式处理数据、以模块化的思想布局,采用自定义数据队列、以嵌入的RBF神经网络模型预测发电量的高效光伏监控方案;以在广西大学内搭建的一个小型的光伏发电站为实验对象,在该方案的基础上实现多总线的光伏远程监控系统,并在该系统中嵌入发电量预测功能;经过长时间地运行系统并预测发电量,结果表明该系统具有运行效率高、可扩展性强、发电量预测精度高等优点。     

无源RFID系统中能量有效的物理层设计

在前向链路,为使标签获得更多能量,结合ASK调制提出了一种新的用于无源RFID系统的能量有效的数据编码方法.通过在一个码元周期内采用可调的非对等的高低电平持续时间,使高电平持续时间更长.分析结果表明,在40kbps的典型速率下,该编码使前向链路的基带信号所携带的能量最多可高于Manchester编码的84%.同时该编码可以提高系统性能.测试结果与理论分析相符合.在反向链路,提出了编码的OOK和编码的BPSK调制.采用截止速率研究编码对系统性能的影响.分析结果表明.编码调制更为能量有效.在几乎不增加芯片复杂度的前提下,提升了系统性能.分析并估算了不同截止速率时编码对系统信息速率和通信距离所带来的增益.     

LR-WPAN Mesh网络双重能效优化设计

针对IEEE 802.15.5低速无线个域网(LR-WPAN)标准缺乏能效均衡设计的问题,提出LR-WPAN Mesh网络双重能效优化方法.在自适应树建立和拓扑引导分布式链路状态路由环节中引入合理的能效评估要素,优化拓扑结构和路由选择.实验结果表明,双重能效优化方法可使网络寿命延长97％,并使网络的能耗更加均衡.     

移动Web访问高性能缓存验证算法

提出一种基于客户-代理-服务器的卷回调算法来解决传统回调算法所面临的两个主要问题:可扩充性和客户端断连.代理可以分担服务器的负载,提高系统的可扩充性;基于卷的回调可以加速验证过程,消除客户从断连状态恢复时的重新验证瓶颈.试验结果表明,改进的卷回调算法可以减少86%的验证消息,从而使得强一致性的回调算法在总体性能上已经接近通常使用的弱一致性的ATTL(adaptive time to live)算法.     

一种满足时延和时延抖动约束的多播路由算法

多播路由已有广泛的应用,但对于实时多播应用,多播路由的同时必须提供QoS保证。为此,论文研究带有时延和时延抖动约束的多播路由问题,通过对Dijkstra最短路径算法的扩展,提出一个快速有效的满足时延和时延抖动约束的多播路由算法EDDVCMR。实验结果表明,对解决带有时延和时延抖动约束的多播路由问题,该算法与DVMA算法相比,有高出7%的求解成功率,同时,算法执行的CPU时间减少36%。     

基于低能耗与高缓存命中并存的缓存替换算法

近年来无线传感器被广泛地利用在各个领域,与之相关的优化节能研究也层出不穷.作为信息共享、分发关键技术的缓存技术节能研究成为了研究热点之一.从缓存替换算法的角度对缓存技术节能进行研究,先对已有的缓存替换算法进行比较分析,在继承二分法思想以及无线传感器网络中缓存替换策略的研究思想的基础上,整合基于低能耗和高缓存命中的两种替换算法,构建出兼顾低能耗和高缓存命中双目标的缓存替换算法.最后通过仿真验证该算法在平均延迟时间、能量消耗以及缓存命中三个方面均有不同程度的提升.     

多核处理器目录缓存结构设计

随着物联网、云计算与网络舆情分析等应用的快速发展,大数据处理的应用已经成为数据中心的核心负载.数据中心服务器普遍采用多核处理器,而目录缓存作为多核处理器结构中维护缓存一致性的关键部件,对其结构研究(如稀疏目录)更多地关注于目录缓存的容量与可扩展性,更适合处理高性能计算等计算密集型应用.然而,当多核处理器执行延迟敏感的大数据应用程序时,目录缓存的高访存延迟严重制约了数据中心的服务质量.针对该问题,新型主从目录缓存结构优化了数据访问过程中的一致性协议通路,其中主目录区分共享与私有数据,管理私有数据的访存操作,降低私有数据的访存延迟,提高了从目录的容量利用率;从目录维护共享数据的缓存一致性,采用有限位标签结构,提高了从目录的存储效率.实验在Simics+GEMS模拟平台上对大数据程序测试集Cloudsuite-v1.0进行评估.结果表明在以大数据应用程序为主的运行环境下,与2倍容量的稀疏目录相比,主从目录缓存结构降低了24.39%的硬件开销,降低了28.45%的缓存缺失延时,提升了3.5%的处理器IPC;与缓存内目录相比,主从目录结构虽然损失了5.14%的缓存缺失延时与1.1%的处理器IPC,但是降低了42.59%的硬件开销.     

Efficient Integration of Compiler-Directed Cache Coherence and Data Prefetching

Cache coherence enforcement and memory latency reduction and hiding are very important and challenging problems in the design of large-scale distributed shared-memory (DSM) multiprocessors. We propose an integrated approach to solve these problems through a compiler-directed cache coherence scheme called the Cache Coherence with Data Prefetching (CCDP) scheme. The CCDP scheme enforces cache coherence by prefetching the potentially stale references in a parallel program. It also prefetches the non-stale references to hide their memory latencies. To optimize the performance of the CCDP scheme, some prefetch hardware support is provided to efficiently handle these two forms of data prefetching operations. We also developed the compiler techniques utilized by the CCDP scheme for stale reference detection, prefetch target analysis, and prefetch scheduling. We evaluated the performance of the CCDP scheme via execution-driven simulations of several numerical applications from the SPEC CFP95 and the Perfect benchmark suites. The simulation results show that the CCDP scheme provides significant performance improvements for the applications studied, comparable to that obtained with a full-map hardware cache coherence scheme.     

一种准确而高效的领域知识图谱构建方法

作为语义网的数据支撑,知识图谱在知识问答、语义搜索等领域起着至关重要的作用,一直以来也是研究领域和工程领域的一个热点问题,但是构建一个质量较高、规模较大的知识图谱往往需要花费巨大的人力和时间成本.如何平衡准确率和效率,快速地构建出一个高质量的领域知识图谱,是知识工程领域的一个重要挑战.本文对领域知识图谱构建方法做了系统研究,提出了一种准确高效的领域知识图谱构建方法——“四步法”,我们将此方法应用到中国基础教育九门学科知识图谱的构建中,在较短时间构建出了准确率较高的学科知识图谱,证明了该方法构建领域知识图谱的有效性.以地理学科知识图谱为例,使用“四步法”共得到67万个实例,1421万条三元组,其中标注数据的学科知识覆盖率和知识准确率均在99%以上.     

准确高效的动态干预决策发现

干预决策是数据挖掘领域关注的重要问题,致力于评价干预措施对干预目标的影响或发现满足干预目标的最优干预措施,而朴素干预规则模型简单,无法精确表达干预知识,且效率较差。在模型设计中引入了马尔科夫链,提出了干预过程动态模型,设计并实现了基于干预力度的动态精确干预评价体系。在中国出生缺陷数据集上的实验表明,该方法可比较精确地发现干预规则。     

分布式RAID中Cache模块的设计

针对分布式RAID的特殊架构，设计了基于总线侦听方法的Cache模块。该模块采用主存分块映射策略来解决总线侦听方法，由于共享网络总线对带宽要求太高，使用较少带宽、较少的数据操作，提高了分布式RAID的系统性能。对Cache模块设计进行了性能分析，对多处理机系统Cache一致性问题的解决方案进行了分析比较。     

一种能量高效无线传感器网络路由协议的设计

在无线传感器网络中提高节点能量问题的研究中,首先对无线传感器网络经典的分簇路由协议LEACH进行分析,针对LEACH中存在的少能量节点,或者偏远节点选为簇头节点,容易导致节点加快死亡、网络能量利用率降低的问题,通过改变簇头选择策略,综合考虑节点剩余能量和地理位置等参数的方法,提出一种新的路由协议,避免选取少能量节点为簇头.经NS2的仿真结果表明,提高了网络能量利用率.能量高效LEACH协议比LEACH原协议延长了28%的网络生存时间,并对延迟了第一节点死亡(FND)时间27%,并使得更多的能量利用于网络开始真正死亡之前,提高了网络能量利用率.     

具有高效缓冲策略的运动估计阵列处理器结构

基于改进的线性处理器阵列,提出了一种用于全搜索运动估计的阵列处理器结构,它可以并行执行运算而只要求串行的数据输入.分析表明这种结构不仅执行效率高,而且内部缓冲区很小.由于其简单的结构和规则的数据流,它可以方便地在FPGA器件中实现,用作实时编码器的协处理器.     

Cache的数据一致性演示系统设计与实现

设计了一个Cache数据一致性演示系统,能演示Cache在采用不同的映象规则与不同写策略时的动态读写过程.     

子程优先Cache的设计与探讨

本文从子程序和中断服务程序的高频调用访问现象出发,提出一种新的Cache映射方法——子程优先法,即在Cache中开设子程特区专供子程序作指令缓冲,并在假想的虚拟机上通过严格的数学推导论证了新方法较之传统映射算法的优势,以及探讨了影响该优势的主要因素。     

WWW中缓存模型的优化设计

ＷＷＷ提供了方便的手段来访问远程信息资源，对于Ｗｅｂ用户而言，衡量Ｗｅｂ服务质量的一个重要指标就是检索信息所花费的时间。缩短检索时间的途径很多，此文主要介绍通过设置缓存机制，降低用户对资源访问请求次数，达到缩短用户直观感觉上的检索时间的方法。并讨论一种基于Ｃ／Ｓ结构的缓存模型，提出了新的缓存替换算法，综合考虑了文档长度，网络负载等参数，实现了缓存模型的优化。经过实验验证，该算法优于目前的缓存替换算法。