面向自供能嵌入式系统非易失处理器的关键技术研究

Energy harvesting powered embedded system has the problem of being forced to power down due to the instable energy sources. Non-volatile memory has been proposed to back up program status before energy depletion so that the program execution can be continuous after energy resumes. Non-volatile processor can achieve accumulative program execution while leaves some problems open. First, the backup procedure cannot guarantee the data consistency, leading to incorrect program results. Second, traditional memory management policies cannot directly be applied to the non-volatile processor based embedded system since they did not involve considerations on backup. In this project, we will fully explore the characteristics of backup procedure; build correctness-guaranteed backup models; and then develop cross-layer backup-aware memory management techniques to improve system performance and reduce the system energy. The proposed techniques in this project can significantly promote the efficient utilization of non-volatile processors.

为解决自供能嵌入式系统中供电不稳定而引发系统断电的问题，非易失处理器将非易失性存储介质引入传统处理器和内存空间，在系统断电前将程序数据备份至非易失性存储介质，系统继续供电后将程序状态恢复，使得程序可以继续执行。非易失处理器的设计可以提高程序执行效率，但其应用仍存在诸多问题。首先，数据备份存在一致性隐患，缺少正确性维护的备份过程可能引起程序执行错误。其次，由于传统的内存管理机制未考虑备份过程，因此并不适合直接应用于基于非易失处理器的嵌入式系统。本项目将深入研究基于非易失处理器嵌入式系统的备份技术，构建多层混合内存中数据备份正确性模型，并从编译、操作系统等软件层次以及缓存控制器的硬件层次研究备份感知的设计和优化方案，旨在提高系统性能，降低其能耗，推动非易失处理器的可靠高效应用。

本项目针对非易失处理器的系统设计，主要解决了以下几个问题。首先，在备份正确性和代价模型的基础上，提出了非易失处理器片上内存的备份策略设计。作为片上内存的重要组成部分，此项目研究了栈使用空间随程序执行的变化规律，从而设计了栈空间的备份方法。此外，此项目将高速缓存的行为分析纳入系统考量，基于此设计了更优的片上存储备份策略。其次，完成了非易失处理器高速缓存层的备份策略设计。此项目研究了如何充分利用非易失存储的MLC模式设计高速缓存的使用，以达到在成功备份的前提下优化系统性能的目的。再次，项目进行了异构系统下末级缓存管理策略研究。得益于非易失处理器中高速缓存相关研究的启发，此项目还研究了CPU+GPU异构系统和GPGPU系统中末级缓存的管理策略，通过设计新的替换策略等方式提高系统性能。此外，该项目完成了验证平台搭建与评估。此项目搭建了模拟平台，并基于FPGA辅助验证。基于此项目对FPGA的积累，开展了混合架构FPGA和非易失FPGA的研究。总之，此项目的开展涵盖了预计的研究范围，并在此基础上进行拓展，达到了预期的研究目的。