[논문]VLIW (Very Long Instruction Word) 형식 드론 FCC(Flight Control Computer)의 실시간성 개선을 위한 소프트웨어 성능 가속화 연구

조두산

doi:10.21289/ksic.2017.20.1.001

VLIW (Very Long Instruction Word) 형식 드론 FCC(Flight Control Computer)의 실시간성 개선을 위한 소프트웨어 성능 가속화 연구
A Study on software performance acceleration for improving real time constraint of a VLIW type Drone FCC 원문보기

한국산업융합학회 논문집 = Journal of the Korean Society of Industry Convergence, v.20 no.1, 2017년, pp.1 - 7

Abstract ▼ AI-Helper

Most conventional processors execute program instructions in a sequential manner. On the other hand, VLIW processor can execute multiple instructions at the same time. It exploits instruction level parallelism to improve system performance. To that end, program code should be rearranged to VLIW instruction format by a compiler. The compiler determine an optimal execution order of instructions of a program code. This instruction ordering is also called instruction scheduling. The scheduling is an algorithm that decides the execution order for instruction codes in loop parts of a program so that the instruction level parallelism can be maximized. In this research, we apply an existing scheduling algorithm to a VLIW FCC and describe analysis results to further improve its performance. And, we present a solution to solve some limitation of the existing scheduling technique. By using our solution, FCC's performance can be improved upto 32% compared to the existing scheduling only setting.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 VLIW 형식의 프로세서 아키텍처를 드론 FCC로 사용할 때 실시간성 확보를 위하여 기존 소프트웨어 파이프라이닝 기법을 적용하고 그 결과를 분석하여 본다. 이때 발생하는 문제점을 조사하고 그에 대한 해결책을 제시한다.
본 연구에서는 새로운 형태의 스케쥴링 알고리즘이 아닌 기존의 스케쥴링 기법을 드론 FCC 환경에서 그대로 사용하면서 발생되는 한 가지 문제점을 개선하는데 목표가 있다. 이 문제점을 레지스터 리네이밍 기법을 이용하여 해결하였으며 결과적으로 FCC의 실행속도 및 에너지 소모량을 개선하였다.

가설 설정

원래의 소프트웨어 파이프라이닝 기법(알고리즘1)과 개선된 소프트웨어 파이프라이닝 기법(알고리즘2)를 대상으로 비교 실험을 진행하였다. 실험환경 구성은 FCC를 TI c6000 core로 가정하여, 테스트용 보드를 PC에 연결하여 진행하였다. 실험 결과는 다음과 같다.

제안 방법

특히 FCC를 구성하는 핵심 루프 코드들을 대상으로 결과를 평가하였다. 본 실험에서는 순수하게 제안된 기법만을 평가해 보기 위하여 모든 최적화 옵션을 제거하고 실험을 진행하였다. 원래의 소프트웨어 파이프라이닝 기법(알고리즘1)과 개선된 소프트웨어 파이프라이닝 기법(알고리즘2)를 대상으로 비교 실험을 진행하였다.
실험은 프로그램 실행속도(시간) 개선과 에너지소모량 개선 두개의 측면에서 진행되었다. Fig.
이상과 같이 새로운 레지스터를 추가하여 안티 디펜던스 싸이클을 제거하는 (혹은 디펜던스 싸이클 길이를 짧게하는) 것을 레지스터 리네이밍 (register renaming) [7]이라 부른다. 우리는 기존의 소프트웨어 파이프라이닝 알고리즘에 레지스터 리네이밍 스텝을 추가하여 파이프라이닝 성능을 개선하도록 하였다. 개선된 소프트웨어 파이프라이닝 알고리즘은 다음과 같다.
본 실험에서는 순수하게 제안된 기법만을 평가해 보기 위하여 모든 최적화 옵션을 제거하고 실험을 진행하였다. 원래의 소프트웨어 파이프라이닝 기법(알고리즘1)과 개선된 소프트웨어 파이프라이닝 기법(알고리즘2)를 대상으로 비교 실험을 진행하였다. 실험환경 구성은 FCC를 TI c6000 core로 가정하여, 테스트용 보드를 PC에 연결하여 진행하였다.
본 연구에서는 새로운 형태의 스케쥴링 알고리즘이 아닌 기존의 스케쥴링 기법을 드론 FCC 환경에서 그대로 사용하면서 발생되는 한 가지 문제점을 개선하는데 목표가 있다. 이 문제점을 레지스터 리네이밍 기법을 이용하여 해결하였으며 결과적으로 FCC의 실행속도 및 에너지 소모량을 개선하였다. 이러한 결과는 드론의 실시간성 개선(응답속도 개선)에 상당한 도움을 줄 것으로 예상한다.

대상 데이터

0을 이용하였다. 실험 대상 프로그램은 드론용 FCC에 사용하는 오픈소스 코드 4개 (FCC1,2,3,4)를 이용하였다. 특히 FCC를 구성하는 핵심 루프 코드들을 대상으로 결과를 평가하였다.
실험 대상 프로그램은 드론용 FCC에 사용하는 오픈소스 코드 4개 (FCC1,2,3,4)를 이용하였다. 특히 FCC를 구성하는 핵심 루프 코드들을 대상으로 결과를 평가하였다. 본 실험에서는 순수하게 제안된 기법만을 평가해 보기 위하여 모든 최적화 옵션을 제거하고 실험을 진행하였다.

이론/모형

제안하는 알고리즘을 검증하기 위하여 우리는 현재 가장 많이 사용하는 컴파일러인 GCC 4.0을 이용하였다. 실험 대상 프로그램은 드론용 FCC에 사용하는 오픈소스 코드 4개 (FCC1,2,3,4)를 이용하였다.

성능/효과

이때 발생하는 문제점을 조사하고 그에 대한 해결책을 제시한다. 본 연구 결과를 이용하면 성능면에서 32%, 배터리 소모면에서 40%의 개선이 가능할 것으로 확인되었다.
알고리즘 1의 결과를 기준값(baseline) 1로 두고 2의 개선 정도를 나타낸 것이다. 실행속도에서 32% 개선되었고 에너지 소모에서 40% 개선됨을 확인하였다.

후속연구

이러한 발생은 컴파일러가 프로세서에 제한된 숫자로 구성된 레지스터 메모리를 최적으로 사용하기 위하여 항상 최소 개수로 분배하도록 레지스터 할당정책 알고리즘이 구성되었기 때문이다. 따라서 소프트웨어 파이프라이닝을 적용할 때 다른 레지스터를 추가로 사용한다면 안티 디펜던스를 제거하여 보다 개선된 소프트웨어 파이프라이닝 루프를 구성할 수 있을 것이다.
이 문제점을 레지스터 리네이밍 기법을 이용하여 해결하였으며 결과적으로 FCC의 실행속도 및 에너지 소모량을 개선하였다. 이러한 결과는 드론의 실시간성 개선(응답속도 개선)에 상당한 도움을 줄 것으로 예상한다.
1에 나타난 바와 같이 4개의 명령어가 4개의 PE(Processing Element, 처리장치)를 이용하여 한 번에 실행될 수 있는 형태의 프로세서 아키텍처와 같다. 이러한 복수개의 연산 처리 장치를 최대한 활용하도록 소프트웨어가 구성된다면 소프트웨어 응답 지연 속도와 실행 성능을 개선할 수 있고 결과적으로 전체 시스템의 실시간성이 개선될 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	수퍼스칼라는 무엇인가?	프로세서 아키텍처의 성능을 향상시키는 전통적인 방법으로 명령을 부분적으로 분할하여 명령을 부분적으로 동시에 실행할 수 있도록 하는 것(파이프라이닝이라고 불림)을 들 수 있다. 이러한 기술들 중에서 수퍼스칼라(superscalar) 방식은 프로세서의 다른 부분들에서 명령어들을 개별적으로 실행하도록 디스패치(dispatching)하고, 비순차 명령어 처리 방식(out-of-order execution)은 프로그램과는 다른 순서로 명령어들을 실행하는 것을 포함한다. 이러한 기술들은 모든 명령어 실행 순서 결정을 하드웨어 내부적으로 정하기 때문에 하드웨어를 고비용, 고에너지, 대형으로 복잡하게 구성하게 한다.
	VLIW의 특징은 무엇인가?	대조적으로, VLIW 기법은 어떤 명령들을 동시에 실행하거나 하는 모든 결정을 소프트웨어에 의존한다. 보다 실제적인 문제에 있어서, VLIW는 명령어 순서를 결정하는 컴파일러(스케쥴러)를 보다 복잡하게 만들지만, 하드웨어는 다른 많은 명령어 병렬실행 기법들 보다 간단하게 구성된다. 이는 저비용, 저전력, 소형이라는 키워드로이어져 최신의 다양한 휴대용 디바이스, 특히 드론에 최적화된다고 할 수 있다.
	소프트웨어 파이프라이닝의 역할은 무엇인가?	소프트웨어 파이프라이닝 [1][2] 혹은 반복 모듈로 스케쥴링 [3][4]은 VLIW 형식의 프로세서에서 명령어 단계 병렬성을 최대한 활용하도록 프로그램 코드(명령어)를 재구성하는 컴파일러 기법이다. 기존의 순차적인 프로그램 코드를 복수의 연산 처리 장치에서 동시에 실행될 수 있도록 명령어 병렬성을 찾아 코드를 재배치해주는 기능을 수행한다. Fig.

참고문헌 (7)

M. Lam : Software pipelining: an effective scheduling technique for VLIW machines. Proceedings of the SIGPLAN Conference on Programming Language Design and Implementation, pp.318-328, (1988).
H. Allan, B. Jones, M. Lee, J. Allan : Software Pipelining. ACM Computing Surveys, 27, 3, (1995).
B. Rau : Iterative modulo scheduling. HP Laboratories Technical Report, HPL94115, (1995).
D. Lavery and W. Hwu : Unrolling-Based Optimizations for Modulo Scheduling. Proceedings of the 28th annual international symposium on Microarchitecture, pp.327-337, (1995).
R. Huff : Lifetime-Sensitive Modulo Scheduling. Proceedings of the SIGPLAN Conference on Programming Language Design and Implementation, pp.258-267, (1993).
B. Rau and D. Glaser : Some scheduling techniques and an easily schedulable horizontal architecture for high performance scientific computing. Proceedings of the 14th Microprogramming Workshop, pp.183-198, (1981).
J. Hennessy and D. Patterson : Computer Architecture - a Quantitative Approach. Morgan Kaufmann, (2011).

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