Scratchpad-oriented address generation for low-power embedded VLIW processors

Abstract

Actualmente, los sistemas encastados están creciendo a un ritmo impresionante y proporcionan cada vez aplicaciones más sofisticadas. Un conjunto de creciente importancia son los sistemas multimedia portátiles de tiempo real y los sistemas de comunicación de procesado digital de señal: teléfonos móviles, PDAs, cámaras digitales, consolas portátiles de juegos, terminales multimedia, netbooks, etc. Estos sistemas requieren computación específica de alto rendimiento, generalmente con restricciones de tiempo real y calidad de servicio (Quality of Service - QoS), que han de ejecutarse con un nivel bajo de consumo para extender la vida de la batería y evitar el calentamiento del dispositivo. También se requiere una arquitectura flexible para satisfacer las restricciones del "time-to-market". En consecuencia, los sistemas encastados necesitan una solución programable, de bajo consumo y alta capacidad de computación para satisfacer todos los requerimientos.<br/>Las arquitecturas de tipo Very Long Instruction Word parecen una buena solución ya que proporcionan el suficiente rendimiento a bajo consumo con la programabilidad requerida. Estas arquitecturas se asientan sobre el esfuerzo del compilador para extraer el paralelismo disponible a nivel datos y de instrucciones para mantener las unidades computacionales ocupadas todo el rato. Con la densidad de los transistores doblando cada 18 meses, están emergiendo arquitecturas cada vez más complejas con un alto número de recursos computacionales ejecutándose en paralelo. Con esta, cada vez mayor, computación paralela, el acceso a los datos se está convirtiendo en el mayor impedimento que limita la posible extracción del paralelismo. Para aliviar este problema, en las actuales arquitecturas, una unidad especial trabaja en paralelo con los principales elementos computacionales para asegurar una eficiente transmisión de datos: la Unidad Generadora de Direcciones (Address Generator Unit), que puede implementarse de diferentes formas.<br/>El propósito de esta tesis es probar que optimizar el proceso de la generación de direcciones es una manera eficiente de solucionar el proceso de acceder a los datos al mismo tiempo que disminuye el tiempo de ejecución y el consumo de energía.<br/>Esta tesis evalúa la efectividad de los diferentes dispositivos que actualmente se usan en los sistemas encastados, argumenta el uso de procesadores de tipo "very long instruction word" y presenta la infraestructura de compilador y exploración arquitectural usada en los experimentos. <br/>Esta tesis también presenta una clasificación sistemática de los generadores de direcciones, un repaso de las diferentes técnicas de optimización actuales acorde con esta clasificación y una metodología, usando técnicas ya publicadas, sistemática y óptima que reduce gradualmente la energía necesitada. También se introduce el entorno de trabajo que permite una exploración arquitectural sistemática y los métodos usados para obtener una unidad de generación de direcciones. <br/>Los resultados de este unidad de generación de direcciones reconfigurable se muestran en diferentes aplicaciones de referencia (benchmarks) y la metodología sistemática se muestra en una aplicación completa real.

Nowadays Embedded Systems are growing at an impressive rate and provide more and more sophisticated applications. An increasingly important set of embedded systems are real-time portable multimedia and digital signal processing communication systems: cellular phones, PDAs, digital cameras, handheld gaming consoles, multimedia terminals, netbooks, etc. These systems require high performance specific computations, usually with real-time and Quality of Service (QoS) constraints, which should run at a low energy level to extend battery life and avoid heating. A flexible system architecture is also required to successfully meet short time-to-market restrictions. Hence, embedded systems need a programmable, low power and high performance solution in order to deal with these requirements.<br/>Very Long Instruction Word architectures seem a good solution for providing enough computational performance at low-power with the required programmability to speed the time-to-market. Those architectures rely on compiler effort to exploit the available instruction and data parallelism to keep the data path busy all the time. With the density of transistors doubling each 18 months, more and more complex architectures with a high number of computational resources running in parallel are emerging. With this increasing parallel computation, the access to data is becoming the main bottleneck that limits the available parallelism. To alleviate this problem, in current embedded architectures, a special unit works in parallel with the main computing elements to ensure efficient feed and storage of the data: the Address Generator Unit, which comes in many flavors. <br/>The purpose of this dissertation is to prove that optimizing the process of address generation is an effective way of solving the problem of accessing data while decreasing execution time and energy consumption.<br/>As a first step, this thesis evaluates the effectiveness of different state-of-the-art devices commonly used in the embedded domain, argues for the use of very long instruction word processors and presents the compiler and architecture framework used for our experiments. <br/>This thesis also presents a systematic classification of address generators, a review of literature according to the classification of the different optimizations on the address generation process and a step-wise methodology that gradually reduces energy reusing techniques that already have been published. The systematic architecture exploration framework and methods used to obtain a reconfigurable address generation unit are also introduced.<br/>Results of the reconfigurable address generator unit are shown on several benchmarks and applications, and the complete step-wise methodology is demonstrated on a real-life example.