地球是人类赖以生存的家园,保护地球生态环境的和谐发展是我们应尽的责任和义务。随着现代科技朝着自动化、智能化的快速发展,温室效应、电子垃圾等现代科技的产物却给生态环境带来了难以磨灭的印记,人们在享受现代科技带来便利的同时也不可避免地受其影响,如何使现代科技在丰富人类生产生活的同时兼顾环境的和谐发展已经成为不容忽视的重要问题。
计算机作为现代科技的重要产物,其应用已经涉及人们日常生活的方方面面。特别是随着电子芯片的日益小型化、智能化,各类嵌入式产品已经得到广泛应用,其消耗的能源和产生的电子垃圾等已经成为生态破坏的重要因素之一。解决这些嵌入式电子设备带来的负面影响是解决生态环境和谐发展的必经之路,许多工业界和学术界的研究者都对其给予了高度关注。
然而,嵌入式系统是软硬件的结合体,要降低能耗,减缓电子垃圾产生的速度,一方面需要对硬件设备、制作工艺不断更新,使其满足低能耗、高耐久性的要求;另一方面更是需要对其运行的软件进行优化,使其能够合理地利用各种硬件资源,充分发挥各硬件资源的自身优势。编译器作为软件开发和构建的重要工具,一直以来都是对软件进行系统化和结构化优化的主力军。因此,从软件方面解决嵌入式设备能耗和电子垃圾的问题,编译器将拥有得天独厚的优势。
绿色本是大自然中一种很普通的颜色,大部分的植物具有该种颜色。但由于人们看到绿色时总有种生机勃勃、回归大自然的感觉,绿色也象征着大自然的和谐美好,因而不少与生态环保相关的事物会冠以该词,如绿色蔬菜、绿色贸易、绿色食品等。在计算机领域也是如此,不少以降低系统能耗、减少电子垃圾排放的技术也是以绿色为主导,如绿色计算、绿色网络、绿色操作系统等。因此,本书将所有与降低系统能耗、提高设备资源有效利用率,减少电子垃圾排放的编译技术称为绿色编译技术。
为缓解嵌入式系统广泛应用对生态环境的负面影响,促进各类智能嵌入式设备和谐健康的快速发展,本书将以嵌入式系统中与生态环境相关的两个主要问题——系统运行的能耗和系统资源使用的均衡度——为着眼点,从编译器的角度对其关键技术和优化方法进行系统而深入的阐述。
本书共8章,各章的主要内容组织如下。
第1章主要介绍绿色编译的研究背景及国内外研究的现状,以便读者初步认识现有的绿色编译技术。
第2章根据现有绿色相关概念,给出绿色编译器的定义。在此基础上,根据其主要特征介绍绿色编译优化框架和绿色评估模型,以有效地指导和评估绿色编译优化效果。
第3章主要介绍两种低能耗体系结构下的绿色指令调度方法。一种主要面向TS处理器,结合空操作指令的填充,利用图博弈模型对指令序列进行调度,以减少因数据依赖而导致的数据前送操作,提高TS处理器的能效和系统的绿色指标。另一种主要面向总线翻转编码体系结构,分析绿色评估模型中总线相关的绿色评估指标,并以此为标准,给出一种反馈信息指导的绿色指令调度算法。同时,利用程序执行的动态反馈信息,结合总线翻转编码的特点,充分减少相邻总线之间的翻转次数,均衡各总线之间的翻转负载,以提高系统的整体绿色指标。
第4章主要以通用存储系统中寄存器以及栈数据分配为出发点,以提高存储系统和总线系统的绿色指标为主要目标,介绍一种多目标数据分配优化方法:可交换类指令操作数重排优化,基于扩展图着色的寄存器重分配优化和面向栈数据均衡访问的数据重分配优化。通过这些优化手段,对程序中访问的寄存器和栈数据进行调整,以获得较均衡的寄存器访问频度和栈存储单元访问频度,减少指令数据总线的动态翻转能耗,提高系统整体的绿色指标。
第5章根据新型存储技术的特征,针对混合便签式存储器、混合缓存以及易失性STT—RAM缓存,介绍以整数线性规划算法和启发式算法为主要内容的栈数据分配方法,以最大程度降低存储系统的能耗,提高系统的绿色指标。
第6章介绍基于符号执行的能耗错误检测及反例生成技术。首先通过对能耗错误特征的总结和分析,给出一种基于符号执行的能耗错误检测方法。该方法利用程序的过程内分析,获得单个函数的符号执行信息,然后根据过程间分析对单个函数的符号执行信息进行全局综合,进而获得较为准确的能耗错误相关信息。同时,符号执行记录对应的分支路径信息,利用该信息不但能够较好地生成对应的测试用例,而且可以结合约束求解器快速定位错误位置,为开发出高绿色指标的软件提供保障。
第7章结合现有的一些新的理论和算法,对可能的新型绿色编译优化方法进行探索,期望为后续的绿色编译研究提供一个可行的研究思路。
第8章总结全书并展望后续研究。
本书是武汉大学计算机学院众多科研人员多年学习、研究和工程实践沉淀的成果。参与相关研究的人员包括刘陶、吴伟、陈勇、李清安、刘健博、徐超、胡明昊、董伟、廖希密、刘钱、陈念、吴吴、毋国庆、文卫东、吴黎兵、彭敏、李飞、邵凌霜、贾向阳、严飞、余发江等,其中第5章主要由李清安参与撰写,其余章节主要由陈勇参与撰写,何炎祥具体规划和设计了全书的内容并进行了统稿。文卫东、吴黎兵、彭敏对本书的初稿提出了很多建设性意见。
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