多媒體傳感器節(jié)點上面向復(fù)雜數(shù)據(jù)處理的虛擬內(nèi)存技術(shù)的研究.pdf

1、相比傳統(tǒng)的標(biāo)量傳感器節(jié)點，多媒體傳感器節(jié)點能夠處理和發(fā)送更加復(fù)雜、數(shù)據(jù)量更大的多媒體信息（例如圖像、視頻、聲音等），從而使得多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)可以滿足更加復(fù)雜的應(yīng)用需求。傳感器節(jié)點中多媒體數(shù)據(jù)的本地數(shù)據(jù)處理能夠避免對大量多媒體數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳送，大大降低了網(wǎng)絡(luò)通信的帶寬需求和能量開銷。多媒體傳感器節(jié)點所采集的圖片或視頻大小可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了普通低功耗傳感器節(jié)點所配置的低功耗微處理器的內(nèi)存大小。本文提出了使用虛擬內(nèi)存來為節(jié)點程序提供大容量的內(nèi)存，從

2、而支持多媒體傳感器節(jié)點上大量多媒體數(shù)據(jù)的處理。由于缺乏內(nèi)存管理單元的輔助，虛擬內(nèi)存系統(tǒng)需要對節(jié)點程序的匯編代碼進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將對內(nèi)存進(jìn)行讀寫的指令用人工定制的高效的匯編代碼替代，從而實現(xiàn)對虛擬內(nèi)存的透明訪問。
　　虛擬內(nèi)存使用Micro-SD或者NANDFlash作為二級存儲，從而為應(yīng)用程序提供了大容量的地址空間。NANDFlash在讀寫速度和能量效率上相比Micro-SD卡有較大的優(yōu)勢，但是由于NANDFlash的讀寫特性比較特殊，

3、無法直接進(jìn)行隨機(jī)的按塊訪問。我們提出了一個面向虛擬內(nèi)存二級存儲的NANDFlash翻譯層，將NANDFlash封裝為可隨機(jī)訪問的塊設(shè)備，實現(xiàn)了高效的NANDFlash讀寫，并大大降低了NANDFlash的擦除次數(shù)，延長了NANDFlash的可用時間。另外，我們提出了兩種NAND頁大小和物理內(nèi)存緩存塊大小的適配方法，使得二級存儲訪問在不同的緩存塊大小下都能進(jìn)行高效的讀寫。
　　為了規(guī)避對寄存器上下文的保存和恢復(fù)，并充分利用GCC編譯

4、器自身的優(yōu)化能力，我們提出了使用基于C語言代碼轉(zhuǎn)換的左值虛擬化的方法，使左值訪問能夠透明地訪問虛擬內(nèi)存。另外，本文通過記錄C語言代碼中左值讀寫時所對應(yīng)的緩存塊來大大降低緩存搜索的開銷。
　　為了找到最適用于當(dāng)前節(jié)點程序的虛擬內(nèi)存配置，本文提出了一種基于節(jié)點程序內(nèi)存訪問軌跡的遺傳算法來尋找最優(yōu)的虛擬內(nèi)存配置。通過遺傳算法進(jìn)行虛擬內(nèi)存配置的優(yōu)化，能夠避免繁瑣的人工優(yōu)化，并進(jìn)一步降低虛擬內(nèi)存的開銷。本文提出了兩種開銷估計方法來計算基因的

5、適應(yīng)度。首先，本文使用內(nèi)存訪問軌跡的模擬運(yùn)行來模仿實際的虛擬內(nèi)存系統(tǒng)，從而獲得較為精確的虛擬內(nèi)存開銷估計。然而這種方法有較大的計算開銷，因此本文另外提出了一種基于內(nèi)存塊特征信息的快速準(zhǔn)確的虛擬內(nèi)存開銷估計算法。
　　為了驗證虛擬內(nèi)存系統(tǒng)的可用性，我們對不同場合下的數(shù)據(jù)處理或傳送的開銷進(jìn)行了比較。對于所評估的特定應(yīng)用和場景，相比數(shù)據(jù)傳輸和使用高性能傳感器平臺兩種方法，使用低功耗傳感器平臺和虛擬內(nèi)存系統(tǒng)能夠獲得幾倍于其他方法的能量效率