[논문]임베디드 시스템을 위한 공간 효유적인 메모리 관리 기법

임근수

문제 정의

본 논문에서는 운영체제의 차원에서 소프트웨어 기법을 통하여 함수로 요약하기 기법의 공간 효율성을 개선하는 방법을 제안한다. 제안하는 코드 컴팩션 기법에서는 상술한 추가 명령어를 명시적으로 사용하지 않으면서 운영체제에 의해서 이 명령어와 동일한 기능을 자동으로 수행한다.
본 논문에서는 임베디드 시스템의 단가를 낮추고 소모 전력을 줄이기 위하여 하드웨어의 지원 없이 코드 메모리의 크기를 최적화시키는 기법을 제안하였다. 제 안 하는 코드 컴팩션 기법은 종래의 하드웨어 컴팩션 기법인 E사io 명령어를 운영체제를 통해 소프트웨어적인 방법으로 지원함으로써 E사io 명령어와 동일하게 프로그램 코드의 크기를 줄이는 장점을 얻었다.
본 논문은 저자가 RTCSA 2006에서 발표한 논문〔12〕 의 내용을 편집 및 재구성한 것이다.
예외 상황은 간접 분기와 파이프라인 초기화 (Flushing)로 인하여 수행 시간을 지연시킨다. 이러한 단점을 극복하기 위하여, 분기 명령어를 직접 활용하는 방법을 제안한다. 이 명령어는 스택 Push 명령어와 분기 명령어('Jump')를 사용한다.

가설 설정

제한하는 코드 컴팩션 기법을 실시간 운영체제를 기반으로 구현하였다. 이때 하드웨어 플랫폼은 명령어와 데이터 캐시의 일관성 프로토콜을 지원하는 경우를 가 정한다. Repeat 와 Return 명령어의 경우 정의되지 않은 명령어를 사용하는데 ARM의 경우 이는 표 1과 같다.

제안 방법

이 명령어는 스택 Push 명령어와 분기 명령어('Jump')를 사용한다. Push 명령어를 대상 명령어 조합의 위치와 크기인 'offset'과 length' 값을 저장하고 Jump 명령어를 사용해 Repeat.B 또는 Repeat.
이는 ROM 기반 시스템에서는 불가능하다. 따라서 ROM 기반 시스템을 위하여 코드를 직접 수정하지 않고 원 코드를 RAM 상의 버퍼로 복사한 후에 수정한 후 RAM 상에 코드를 직접 수행하는 방법을 활용한다.
제안하는 기법은 기본 반복(Basic Repeat, Repeat.B) 과 조건부 반복(Conditional Repeat, Repeat.C) 명령어를 사용한다. 그림 4는 Repeat.
제안하는 코드 컴팩션 기법에서는 상술한 추가 명령어를 명시적으로 사용하지 않으면서 운영체제에 의해서 이 명령어와 동일한 기능을 자동으로 수행한다. 제안하는 기법은 세 가지 수행 방법을 제공하며 이들은 각각 서로 다른 성능상의 특성이 있다. 특히 이 중 한 기법은 ROM 기반 코드 메모 리 시스템에도 적용될 수 있다.
본 논문에서는 운영체제의 차원에서 소프트웨어 기법을 통하여 함수로 요약하기 기법의 공간 효율성을 개선하는 방법을 제안한다. 제안하는 코드 컴팩션 기법에서는 상술한 추가 명령어를 명시적으로 사용하지 않으면서 운영체제에 의해서 이 명령어와 동일한 기능을 자동으로 수행한다. 제안하는 기법은 세 가지 수행 방법을 제공하며 이들은 각각 서로 다른 성능상의 특성이 있다.
제안하는 코드 컴팩션 기법의 성능평가 지표로 코드 크기와 수행 시간을 사용한다. 제안하는 기법의 코드 크기는 Echo 명령의 그것과 동일하다.
제한하는 코드 컴팩션 기법을 실시간 운영체제를 기반으로 구현하였다. 이때 하드웨어 플랫폼은 명령어와 데이터 캐시의 일관성 프로토콜을 지원하는 경우를 가 정한다.

성능/효과

종래 실험 결과를 통하여 제안하는 기법의 성능을 분석할 수 있다. [8-11], 분석 결과 제안하는 기법은 SPEC₂₀00 벤치마크에 대해서 코드 크기를 30-40%가량 줄이며 Media 벤치마크에 대해서는 10-20%가량 줄인다. 이는 함수로 요약하기 기법에 비해서 10% 이상 큰 값이다.
수행되지 않은 코드는 테스크 간 통신 관리자의 소멸 자 함수와 부팅 및 초기화 루틴과 같이 1회만 수행되는 코드 내부의 선택되지 않는 분기 명령(untaken-brarich)의 대상 코드 등이었다. 따라서 제안하는 기법을 이와 같이 수행이 되지 않는 코드에 적용한다면 수행 시간의 지연을 경험하지 않으면서도 코드의 크기를 크게 줄일 수 있다.
제 안 하는 코드 컴팩션 기법은 종래의 하드웨어 컴팩션 기법인 E사io 명령어를 운영체제를 통해 소프트웨어적인 방법으로 지원함으로써 E사io 명령어와 동일하게 프로그램 코드의 크기를 줄이는 장점을 얻었다. 또한 임베디드 소프트웨어 중에서 높은 비율의 코드가 수행되지 않거나 거의 수행되지 않는 특성을 활용하여 이 영역에 선택적으로 제안하는 컴팩션 기법을 적용해 수행 시간상의 성능 저하를 예방할 수 있었다.
하드웨어의 수정이 필요하지 않은 자바 가상 기계에서 Echo 명령어를 활용한 예가 있다〔9〕. 비록 본 논문에서 제안하는 코드 컴팩션 기법의 개념은 Echo 명령어와 유사하나 제안하는 컴팩션 기법은 프로세서의 수정을 요구하지 않는다는 장점이 있다.
실험 결과 코드의 수행 빈도수를 활용하여 이러한 수행 속도 측면의 단점을 크게 완화할 수 있음을 확인하였다. 세부적으로 그림 7에 제시된 것과 같이 임베디드 시스템에서 높은 비율의 코드가 거의 수행되지 않거나 1번도 수행되지 않음을 확인하였다. 59%의 실시간 운영체제 코드가 424개의 다양한 테스트 케이스를 수행하였음에도 불구하고 1번 도 수행되지 않았다.
반면에 제안하는 기법은 함수로 요약하기 기법에 비하여 처리기에서 소모하는 시간으로 인하여 수행 속도가 느리다는 단점이 있다. 실험 결과 코드의 수행 빈도수를 활용하여 이러한 수행 속도 측면의 단점을 크게 완화할 수 있음을 확인하였다. 세부적으로 그림 7에 제시된 것과 같이 임베디드 시스템에서 높은 비율의 코드가 거의 수행되지 않거나 1번도 수행되지 않음을 확인하였다.
특히 이 중 한 기법은 ROM 기반 코드 메모 리 시스템에도 적용될 수 있다. 실험 결과 프로그램의 개별 기본 블록(basic block)의 수행 빈도수를 프로파일링을 통하여 측정하여, 자주 사용되지 않는 기본 블록에 제안하는 기법을 선택적으로 적용함으로써 수행 시간에 영향을 주지 않으면서도 프로그램 코드의 크기를 크게 줄일 수 있음을 보인다.
본 논문에서는 임베디드 시스템의 단가를 낮추고 소모 전력을 줄이기 위하여 하드웨어의 지원 없이 코드 메모리의 크기를 최적화시키는 기법을 제안하였다. 제 안 하는 코드 컴팩션 기법은 종래의 하드웨어 컴팩션 기법인 E사io 명령어를 운영체제를 통해 소프트웨어적인 방법으로 지원함으로써 E사io 명령어와 동일하게 프로그램 코드의 크기를 줄이는 장점을 얻었다. 또한 임베디드 소프트웨어 중에서 높은 비율의 코드가 수행되지 않거나 거의 수행되지 않는 특성을 활용하여 이 영역에 선택적으로 제안하는 컴팩션 기법을 적용해 수행 시간상의 성능 저하를 예방할 수 있었다.

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