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面向物联网重编程的存储优化方法研究

更新时间：2019-12-08 10:29:39 大小：4M 上传用户：xiaohei1810 查看TA发布的资源 标签：物联网存储优化 下载积分：1分评价赚积分（如何评价?）打赏收藏评论(0) 举报

资料介绍

未来在大多数物联网应用场景中,将允许使用者根据自己的需求复用当前已部署的物联网节点设备.从而要求节点设备具备对本地软件程序重编程的能力.然而,现有重编程方法普遍存在着传输和重组开销过高的问题.在工程实践中,通过使用大容量的扩展存储单元升级代码,可以有效避免由于传输代码引起的传输开销.因此,当需要对物联网节点软件频繁升级时,重编程的能量开销将主要取决于在节点本地读写代码引起的重组开销.为此,我们提出一种基于分页机制的重编程存储优化方法——AdvCache.该方法的核心思想是将相似的代码段以函数为单位聚合为函数页,放入低功耗的缓存中保存并执行.通过提高缓存的使用率和命中率,减少对高功耗存储单元的读写次数.此外,为了应对节点软件可能发生急剧变化的情况,我们提出了一种基于函数页调用关系的缓存替换算法,通过引入程序结构因素,进一步提高缓存命中率.实验表明AdvCache能够有效地降低对高功耗存储单元的读写操作数量.与先前的工作相比,AdvCache的缓存命中率提高了22％.

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No．8

Aug．2017

第40卷第8期

计

CHINESE

算

机

学

OF COMPUTERS

JOURNAL

报

V01．40

2017年8月

面向物联网重编程的存储优化方法研究

邱杰凡钱丽萍

黄

亮

(浙江工业大学杭州310014)

陈庆章

摘要未来在大多数物联网应用场景中，将允许使用者根据自己的需求复用当前已部署的物联网节点设备．从

而要求节点设备具备对本地软件程序重编程的能力．然而，现有重编程方法普遍存在着传输和重组开销过高的问

题．在工程实践中，通过使用大容量的扩展存储单元升级代码，可以有效避免由于传输代码引起的传输开销．因此，

当需要对物联网节点软件频繁升级时，重编程的能量开销将主要取决于在节点本地读写代码引起的重组开销．为

此，我们提出一种基于分页机制的重编程存储优化方法——Advcache．该方法的核心思想是将相似的代码段以函

数为单位聚合为函数页，放入低功耗的缓存中保存并执行．通过提高缓存的使用率和命中率，减少对高功耗存储单

元的读写次数．此外，为了应对节点软件可能发生急剧变化的情况，我们提出了一种基于函数页调用关系的缓存替

换算法，通过引入程序结构因素，进一步提高缓存命中率．实验表明AdvCache能够有效地降低对高功耗存储单元

的读写操作数量．与先前的工作相比，AdvCache的缓存命中率提高了22％．

关键词物联网；无线重编程；分页机制；程序结构；代码重建；传感器网络；信息物理融合系统

中图法分类号TP391

DOI号10．11897／SP．J．1016．2017．01888

Research On _Storage

Optimization ^ofReprogramming

Applied ⁱⁿ

Things

Internet

QIUJie—Fan

HUANG_LiangCHEN

Qing—Zhang

QIAN Li—Ping

310014)

(Zhejiang University of Technology，Hangzhou

Abstract

will be

In the future

of Internet of

function of

wireless node

deployment

Things(IoT)，the

with

to different

respect application

scenarios，which

reconfigurable

re—programmable

the wireless node to

its local software

over—air

reprogramming．However，

requires

there exists

update

overhead in the current

caused

transmitted

high energy

and rebuilt codes．In the field

reprogramming approaches

extended

deployment，large—capacity

memory

usually employed

overhead is

to store those

codes without

retransmitting

them，SO the

updating

reprogramming

decided

largely

the codes

rebuilding consumption．Hence，we propose

based mechanism--AdvCache for

reprogramming

codes．Our

storage optimization approach

paging

rebuilding

which are stored and executed in

divides similar functions into several function

approach

pages

cache．With the

paging

utilization and hit rate of cache are

mechanism，the

low-power

help

order to deal with

the drastic

of node software，we introduce

improved．Furthermore，in

change

the

structure into cache

based on the function

program

replacement algorithm

reduces the

page．The experiment

the

results show that AdvCache

overhead and

rebuilding

successfully

22％over earlier works．

improves

average

hit rate

loT；over-air

Keywords

reprogramming；paging mechanism；program structure；rebuilding

code；sensor network；Cyber—Physical System

收稿日期：2015—10—05；在线出版日期：2016—02—28．本课题得到国家自然科学基金(61502427，61379122，61502428，61379023)和浙江省自

然科学基金(I．Y16F020034，LRl6F010003)资助．邱杰凡，1984年生，男，讲师，主要研究方向为嵌入式系统、传感器网络及物联网．

E—mail：．edu．cn．钱丽萍，女，1981年生，副教授，主要研究领域为无线通信和网络技术．黄亮，男，1987年生，讲师，主要研

究方向为无线通信和物联网．陈庆章，男，1955年生，教授，博士生导师，主要研究领域为传感器网络、定位技术和物联网．

万方数据

8期

1889

邱杰凡等：面向物联网重编程的存储优化方法研究

采用了内部Flash+RAM的存储结构．当执行代码

重组时，首先将差异代码读人节点板载专用非易失

的外部Flash芯片中，与旧程序整合后生成新程序，

最后将新程序写入MCU的内部Flash中．如表1

引

言

在一些无线传感器网络的应用中，使用者对节

点部署环境并不熟悉．在这些应用中，需要经过一段

时问的数据采样收集和分析，当使用者获取足够信

息后，才能开发出更有效的功能模块．这些功能模块

一般通过无线重编程(over—air reprogramming)技

术加载到节点上，从而实现节点本地软件的优化．此

外，一些传感器节点可能肩负着多重任务，比如嵌入

到楼宇的传感器节点潜在具备探测声波以及监测震

动破坏的能力．但是受限的存储资源导致节点无法

同时实现上述两种任务．而选择为不同的任务单独

部署网络基础设施是浪费且没有效率的．也可以通

过重编程实现任务的切换．

所示，读写Flash具有较高的能量开销．多种传感器

节点的存储单元读写能耗问题在参考文献[12—13-]

中亦有体现．尽管不同节点会导致能量开销数据上

的差异，但总体上，重组开销相比于传输开销已经很

难被忽略．

进而，在物联网应用中，可能存在着多个使用者

在同一时段复用节点设备的情况．由于可以使用容

量较大的外部Flash保存代码，因此在实际对节点

升级的过程中，如果根据不同使用者的需求在几个

程序镜像中反复切换，则可以预先将差异代码保存

在大容量存储单元中，避免重复数据的传输，这时重

编程开销将主要取决于在节点本地对新镜像的代码

重组开销．

进而，随着物联网的发展，越来越多的物联网应

用示范项目已经在多个领域取得了成功．不过应该

看到这些物联网系统与传统传感器网络类似，往往

都是为解决某一领域的特定问题或者满足特定区域

的具体需求而构建的．在构建的过程中，各个网络由

于采用了不同的硬件设备、软件模块甚至编程方法，

形成了众多异构的物联网．网络之问相对独立，缺乏

有效的协同．因此越来越多的研究者认为n。3]：物联

网应该是以连接和协调众多异构计算网络(如传感

器网络和车联网)为目的的全局性网络．物联网的未

来发展趋势是整合网络中的各种节点设备资源，由

使用者根据自己的需求动态地组合复用设备，因此

需要各种节点设备具备无线重编程的能力，以便动

态地调整自身功能．

表1 TelosB节点存储单元读写1KB数据能量开销

(单位：uJ)

由表1可知，重组开销主要是来自于Flash的

读写操作，为了降低重组开销必须减少对高功耗

Flash读写操作的次数．在先前的研究中，我们提出

了基于代码缓存的重编程方法EasiCache[1“，该方

法是将频繁更新的代码段放入低功耗的易失性存储

单元RAM中完成更新并执行，可以有效减少对

Flash的读写操作．另一方面，EasiCache以函数为

单位缓存代码段，代码段的尺寸具有不确定性，容易

造成存储空间的浪费，降低缓存的使用率．另一方

面，EasiCache的缓存机制主要考虑局部性原理，即

代码的修改也具有局部性，利用重编程过程中的

动态特征(如：已被更新的次数)，对未来需要更新

的函数做出预测．而在具体物联网应用过程中，应

用需求改变具有随机性，节点上的软件可能发生

剧烈变化．且每次变化之后的初始阶段，由于无法

然而，物联网基础设施中包含大量电池供电的

嵌入式节点设备，如果频繁地使用重编程技术升级

节点设备上的软件程序，势必影响节点的使用寿命．

这也是限制重编程技术大规模应用的主要瓶颈．无

线重编程的能量开销主要来自于节点问发送和接收

代码时产生的传输开销，以及节点上读写存储单元

时产生的重组开销．目前大多数无线重编程方法对

如何降低传输开销进行了深入的研究，其中比较有

代表性的增量式重编程方法[41¨ ，通过传输新旧代

码的差异代码完成软件升级，可以有效减少传输

开销．

提供足够多的重编程动态特征信息，会导致缓存

命中率明显下降．

为了解决上述重编程过程中缓存使用率以及命

这类增量式重编程方法通常需要在节点本地存

中率下降的问题，本文提出了一种基于分页机制的

存储优化方法AdvCache．该方法分别从以下3个方

面展开研究：

储单元中重建新程序镜像．以较为流行的TelosB节

Unit，MCU)

点为例，其微控制单元(Microcontr01ler

万方数据

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