Андриевский Л.В.

Êîíôåðåíöèÿ ¾Ëîìîíîñîâ 2011¿
Ñåêöèÿ ¾Âû÷èñëèòåëüíàÿ ìàòåìàòèêà è êèáåðíåòèêà¿
Àëãîðèòì ýíåðãîñáåðåãàþùåãî âûïîëíåíèÿ ïðîãðàìì äëÿ ïðîöåññîðîâ ñ
íåñêîëüêèìè ñèñòåìàìè êîìàíä
1
2
Àíäðèåâñêèé Ë.Â. , Øàëèìîâ À.Â.
1 - Ìîñêîâñêèé ãîñóäàðñòâåííûé óíèâåðñèòåò èìåíè Ì.Â. Ëîìîíîñîâà, Ôàêóëüòåò
âû÷èñëèòåëüíîé ìàòåìàòèêè è êèáåðíåòèêè, 2 - Ìîñêîâñêèé ãîñóäàðñòâåííûé
óíèâåðñèòåò èìåíè Ì.Â. Ëîìîíîñîâà, Ôàêóëüòåò âû÷èñëèòåëüíîé ìàòåìàòèêè è
êèáåðíåòèêè, Ìîñêâà, Ðîññèÿ
E-mail: [email protected]
Ïîñòîÿííîå óâåëè÷åíèå ïðîèçâîäèòåëüíîñòè ÝÂÌ, ñîãëàñíî Çàêîíó Ìóðà, íåñåò ñ
ñîáîé ïîñòîÿííîå ïîâûøåíèå ýíåðãîïîòðåáëåíèÿ (ñðàâíåíèå âåäåòñÿ ïðè îäíîì òåõíîëîãè÷åñêîì ïðîöåññå è íà îäíîé è òîé æå ýëåìåíòíîé áàçå òðàíçèñòîðîâ) [3].
Íåêîòîðûå ñåãîäíÿøíèå êîìïüþòåðû èç ñïèñêà 500 ñàìûõ ïðîèçâîäèòåëüíûõ êîìïüþòåðîâ â ìèðå (TOP500) ïîòðåáëÿþò ïèêîâóþ ìîùíîñòü â 10 ìåãàâàòò, äîñòàòî÷íóþ
äëÿ óäîâëåòâîðåíèÿ ïîòðåáíîñòåé â ýíåðãèè ãîðîäà ñ 40000 æèòåëÿìè. Åñëè ó÷åñòü,
÷òî ìåãàâàòò/ãîä ýëåêòðîýíåðãèè ñòîèò îò 200000 äî 1,2 ìèëëèîíîâ äîëëàðîâ, òðóäíî
íàçâàòü òàêèå ìàøèíû ìàëîçàòðàòíûìè.
Ýôôåêòèâíîñòü ïîòðåáëåíèÿ ýíåðãèè ñ íåêîòîðîãî âðåìåíè ÿâëÿåòñÿ îñíîâíîé äâèæóùåé ñèëîé ðàçâèòèÿ òåõíîëîãèè è â îáëàñòÿõ ìîáèëüíûõ è âñòðîåííûõ ñèñòåì. Äëÿ
òàêèõ ñèñòåì âàæíî âðåìÿ ðàáîòû â àâòîíîìíîì ðåæèìå ñ èñïîëüçîâàíèåì àâòîíîìíûõ èñòî÷íèêîâ ïèòàíèÿ. Íà ðàííèõ ñòàäèÿõ ðàçâèòèÿ òåõíèê óìåíüøåíèÿ ïîòðåáëåíèÿ
ýíåðãèè îñíîâíîé óïîð äåëàëñÿ íà ïðîäëåíèå âðåìåíè æèçíè áàòàðåé è óâåëè÷åíèå èõ
¼ìêîñòè; â äàëüíåéøåì, èç-çà îãðàíè÷åíèé íà ìàññî-ãàáàðèòíûå ïàðàìåòðû ñèñòåìû,
ðàçâèòèå ïî äàííîìó ïóòè ñòàëî çàìåäëÿòüñÿ.  èññëåäîâàíèÿõ íà÷àëè çàòðàãèâàòüñÿ
è âîïðîñû ñîêðàùåíèÿ ïèêîâîãî ýíåðãîïîòðåáëåíèÿ, ïîñêîëüêó íà ïóòè äàëüíåéøåãî
ñîâåðøåíñòâîâàíèÿ ïðîèçâîäèòåëüíîñòè öåíòðàëüíûõ ïðîöåññîðîâ âñòàëè òåìïåðàòóðíûå îãðàíè÷åíèÿ.  òàêèõ óñëîâèÿõ âàæíîé õàðàêòåðèñòèêîé ïðîãðàììû ñòàíîâèòñÿ
óðîâåíü å¼ ýíåðãîïîòðåáëåíèÿ [1].
 íàñòîÿùåå âðåìÿ àðõèòåêòóðà ñ íåñêîëüêèìè ñèñòåìàìè êîìàíä çàíèìàåò ëèäèðóþùèå ïîçèöèè è îõâàòûâàåò äî 75% ðûíêà âñòðàèâàåìûõ ìèêðîïðîöåññîðîâ. Ïðèìåðàìè ÿâëÿþòñÿ ïðîöåññîðû ARM Cortex A8, Nvidia Tegra, Qualcomm Snapdragon, Intel
XScale è äðóãèå.
Òàêèå ïðîöåññîðû ïîääåðæèâàþò äâå ñèñòåìû êîìàíä: íîðìàëüíóþ è óêîðî÷åííóþ
[2]. Êîìàíäû óêîðî÷åííîé ñèñòåìû çàíèìàþò â ïàìÿòè ìåíüøå ìåñòà, ÷åì êîìàíäû
íîðìàëüíîé, íî èìåþò îãðàíè÷åííûå âîçìîæíîñòè (äîñòóï íå êî âñåì ðåãèñòðàì ïðîöåññîðà, îòñóòñòâèå ïîääåðæêè ïðåäèêàòíîãî âûïîëíåíèÿ). Êàê ñëåäñòâèå, íåêîòîðûå
ó÷àñòêè êîäà, òðàíñëèðîâàííûå â óêîðî÷åííîì ðåæèìå, ïîòðåáëÿþò ýíåðãèè ìåíüøå,
÷åì êîä, âûïîëíÿþùèé òå æå äåéñòâèÿ, íî çàïèñàííûé â íîðìàëüíîì ðåæèìå.
Ðàçðàáîòàííûé àëãîðèòì ýíåðãîñáåðåãàþùåãî âûïîëíåíèÿ ïðîãðàìì èñïîëüçóåò ýòó
îñîáåííîñòü àðõèòåêòóðû ñ íåñêîëüêèìè ñèñòåìàìè êîìàíä äëÿ ãåíåðàöèè ñìåøàííîãî
êîäà, ñî÷åòàþùåãî â ñåáå êîìàíäû îáåèõ ñèñòåì ïëþñ êîìàíäû ïåðåêëþ÷åíèÿ ðåæèìà. Òàêîé êîä òðåáóåò äëÿ âûïîëíåíèÿ ìåíüøå ýíåðãèè, ÷åì êîä, íàïèñàííûé â îäíîé
ñèñòåìå êîìàíä [4].
1
Êîíôåðåíöèÿ ¾Ëîìîíîñîâ 2011¿
Àëãîðèòì ðàáîòàåò â äâà ýòàïà. Íà ïåðâîì ýòàïå êàæäûé ëèíåéíûé ó÷àñòîê òðàíñëèðóåòñÿ â ñìåñü êîìàíä íîðìàëüíîãî è óêîðî÷åííîãî ðåæèìîâ, êîòîðàÿ èñïîëíÿåò
çàäàííûå èíñòðóêöèè è ïîòðåáëÿåò íàèìåíüøåå êîëè÷åñòâî ýíåðãèè, îöåíêà âåäåòñÿ
â ðàìêàõ ìîäåëè. Íà âòîðîì ýòàïå àëãîðèòì îáåñïå÷èâàåò ìèíèìèçàöèþ ïîòðåáëåíèÿ
ýíåðãèè âñåé ïðîãðàììû ó÷èòûâàåòñÿ âëèÿíèå (çà÷àñòóþ ñóùåñòâåííîå) íà ïîòðåáëåíèå ýíåðãèè âîçìîæíûõ êîìàíä ïåðåäà÷è óïðàâëåíèÿ ìåæäó ó÷àñòêàìè.
 ðåçóëüòàòå ïðîâåäåííîãî òåñòèðîâàíèÿ áûëî ïîëó÷åíî, ÷òî êîýôôèöèåíò óìåíüøåíèÿ ýíåðãîïîòðåáëåíèÿ ðàçðàáîòàííîãî àëãîðèòìà ÝÂÏ ðàâåí 77%, òî åñòü êîëè÷åñòâî
ýíåðãèè, òðåáóåìîå íà âûïîëíåíèå ïðîãðàììû, óìåíüøàåòñÿ íà 23%.
Ëèòåðàòóðà
1. Connect! Ìèð ñâÿçè: http://www.connect.ru/article.asp?id=5185
2. A. Shrivastava, N. Dutt Energy Ecient Code Generation using rISA, ASPDAC'
January 2004
3. V. Venkatachalam, M. Franz Power Reduction Techniques For Microprocessor Systems
// ACM Computing Surveys. Vol. 37. No. 3. September 2005. pp. 195237
4. Energy Aware Computing: http://www.inf.ed.ac.uk/teaching/courses/eac/L3.pdf
2