Caracterização de uma Biblioteca de Software para Sistemas Embarcados

Caracterização de uma Caracterização de uma Biblioteca de Software para Biblioteca de Software para

Sistemas EmbarcadosSistemas Embarcados

Programa de Pós-Graduação em ComputaçãoPrograma de Pós-Graduação em ComputaçãoInstituto de InformáticaInstituto de Informática

Universidade Federal do Rio Grande do SulUniversidade Federal do Rio Grande do SulPorto Alegre - RS - BrasilPorto Alegre - RS - Brasil

Júlio Carlos Balzano de MattosJúlio Carlos Balzano de [email protected]@inf.ufrgs.br

Disciplina de Sistemas EmbarcadosDisciplina de Sistemas EmbarcadosProfs. Flavio Wagner e Luigi CarroProfs. Flavio Wagner e Luigi Carro

22 IntroduçãoIntrodução

Objetivos Objetivos Pesquisar formas de desenvolvimento de software embarcado Pesquisar formas de desenvolvimento de software embarcado

que permitam ao projetista, em alto nível, associar no que permitam ao projetista, em alto nível, associar no momento do desenvolvimento do software compromissos momento do desenvolvimento do software compromissos como área de memória, desempenho, potência, etc. como área de memória, desempenho, potência, etc.

ComoComoAtravés da caracterização de uma biblioteca de softwareAtravés da caracterização de uma biblioteca de software

Biblioteca de SWBiblioteca de SWComposta de um conjunto de algoritmos (utilizados em Composta de um conjunto de algoritmos (utilizados em

diferentes domínios de aplicação) determinar mais de uma diferentes domínios de aplicação) determinar mais de uma forma de solução para o mesmo problemaforma de solução para o mesmo problema

Itens avaliados: tamanho de memória (programa e dados), Itens avaliados: tamanho de memória (programa e dados), desempenho e potênciadesempenho e potência

33 IntroduçãoIntrodução

Algoritmos selecionadosAlgoritmos selecionadosCálculo do SenoCálculo do Seno

Algoritmos de OrdenaçãoAlgoritmos de Ordenação

Busca em TabelaBusca em Tabela

Raiz QuadradaRaiz Quadrada

Ferramentas utilizadasFerramentas utilizadasSashimiSashimi

Simulador FemtoJava (CAD – Caco Aided Design)Simulador FemtoJava (CAD – Caco Aided Design)

44 Cálculo do SenoCálculo do Seno

EstratégiasEstratégiasBusca em TabelaBusca em Tabela

Algortimo CORDICAlgortimo CORDIC

Por TabelaPor TabelaOs valores do Senos são calculados previamente e armazenados Os valores do Senos são calculados previamente e armazenados

em uma tabelaem uma tabela

static int[] tabelaSenos = static int[] tabelaSenos =

{ 0, /* sin 0 */ { 0, /* sin 0 */

......

23170, /* sin 45 = 0,7071 */23170, /* sin 45 = 0,7071 */

......

32768 /* sin 90 = 1 */32768 /* sin 90 = 1 */

}; /* tabela dos senos */}; /* tabela dos senos */

55 Cálculo do SenoCálculo do Seno

Por TabelaPor TabelaPara determinar o seno de um ângulo deve apenas realizar Para determinar o seno de um ângulo deve apenas realizar

uma busca na tabelauma busca na tabela

public static int senoTab(int grau) {public static int senoTab(int grau) {

seno = tabelaSenos[grau];seno = tabelaSenos[grau];

return seno;return seno;

}}

66 Cálculo do SenoCálculo do Seno

Por CORDICPor CORDICAlgoritmo CORDIC (Coordinate Rotation Digital Computer)Algoritmo CORDIC (Coordinate Rotation Digital Computer)Algoritmo iterativo simples para calcular funções trigonométricasAlgoritmo iterativo simples para calcular funções trigonométricas public static void algoritmoCordic(int grau) {public static void algoritmoCordic(int grau) {

......while (count < 12) {while (count < 12) { if (v >= 0) {if (v >= 0) {

x = x - y0;x = x - y0;y = y + x0;y = y + x0;v = v - atansTable[indiceAtans]; indiceAtans++;v = v - atansTable[indiceAtans]; indiceAtans++;

} else {} else {x = x + y0;x = x + y0;y = y - x0;y = y - x0;v = v + atansTable[indiceAtans]; indiceAtans++;v = v + atansTable[indiceAtans]; indiceAtans++;

}} count++;count++; x0 = x;x0 = x; x0 = x0 >> count;x0 = x0 >> count;

y0 = y;y0 = y; y0 = y0 >> count;y0 = y0 >> count;

}} ......

}}

77 Cálculo do SenoCálculo do Seno

ResultadosResultados

App

Seno CordicSeno Tab (1)

Seno Tab (0,5)Seno Tab (0,1)

Prg Mem(bytes)

206888989

Data Mem(Bytes)

184220400

1840

Instr

28888

Perfor.(Cycles)

2446136136136

App

Seno CordicSeno Tab

PowerROM

178.4808.970

PowerRAM

121.4409.200

PowerCPU

5.535.442304.285

Power(CGs)

5.835.362322.455322.455322.455

PowerTOTAL

5.835.362322.455

88 Cálculo do SenoCálculo do Seno

ConclusõesConclusõesCálculo por Tabela é excelente para pequenas resoluções Cálculo por Tabela é excelente para pequenas resoluções

(desempenho, potência e área de memória)(desempenho, potência e área de memória)

Problema: com a necessidade de aumento da resolução Problema: com a necessidade de aumento da resolução ocorre o aumento da tabela (maior necessidade de ocorre o aumento da tabela (maior necessidade de memória)memória)

Cálculo pelo CORDIC: possui desempenho bem pior que o Cálculo pelo CORDIC: possui desempenho bem pior que o cálculo por tabela, porém com o aumento da resolução cálculo por tabela, porém com o aumento da resolução os parâmetros (desempenho, potência e área de os parâmetros (desempenho, potência e área de memória) não se alterammemória) não se alteram

Bons para exploração do espaço de projetoBons para exploração do espaço de projeto

99 Pesquisa em TabelaPesquisa em Tabela

EstratégiasEstratégias

Pesquisa seqüencial em tabela não ordenadaPesquisa seqüencial em tabela não ordenadaMétodo simples e intuitivo

Pesquisa seqüencial em tabela ordenadaPesquisa seqüencial em tabela ordenadaMétodo simples e intuitivo

Pesquisa BináriaPesquisa BináriaMétodo aplica a tabelas ordenadas que consiste na comparação

do argumento de pesquisa com a chave de entrada localizada no endereço médio da tabela

HashingHashingMétodo de cálculo de endereço

1010Pesquisa em TabelaPesquisa em Tabela

Pesquisa Seqüencial em tabela não ordenadaPesquisa Seqüencial em tabela não ordenadaRealiza uma busca “burra”, porém o processo de inserção é Realiza uma busca “burra”, porém o processo de inserção é

facilitadofacilitado

Busca é realizada através de um laço (for):Busca é realizada através de um laço (for):

public static int busca(int arg) {public static int busca(int arg) { int i, n, e;int i, n, e;

n = tamTAB;n = tamTAB;e = 0;e = 0;

for (i=0; i<=n-1; i++) {for (i=0; i<=n-1; i++) { if (tabela[i] == arg) { if (tabela[i] == arg) { e = i;e = i; }} }}

return e;return e;}}

1111 Pesquisa em TabelaPesquisa em Tabela

Pesquisa Seqüencial em tabela não ordenadaPesquisa Seqüencial em tabela não ordenadaPara um novo elemento deve-se inclui-lo no final da tabelaPara um novo elemento deve-se inclui-lo no final da tabela

public static int insere(int arg) {public static int insere(int arg) {

int dev;int dev;

if (ultimoElemento < tamTAB) { if (ultimoElemento < tamTAB) {

// insere// insere

tabela[ultimoElemento] = arg;tabela[ultimoElemento] = arg;

ultimoElemento++;ultimoElemento++;

dev = 0;dev = 0;

}}

else {else {

// tabela cheia// tabela cheia

dev = 1;dev = 1;

}}

return dev;return dev;

}}

1212Pesquisa em TabelaPesquisa em Tabela

Pesquisa Seqüencial em tabela ordenadaPesquisa Seqüencial em tabela ordenada

Busca é realizada através de um laço (while):Busca é realizada através de um laço (while):

public static int busca(int arg) {public static int busca(int arg) {

int i, n, e;int i, n, e;

n = tamTAB-1;n = tamTAB-1;e = 0;e = 0;i = 0;i = 0;

while ((tabela[i] < arg) && (i < n)) {while ((tabela[i] < arg) && (i < n)) { i++; i++; }}

if (tabela[i] == arg) { if (tabela[i] == arg) { e = i;e = i;}}

return e;return e;}}

1313Pesquisa em TabelaPesquisa em Tabela

Pesquisa Seqüencial em tabela ordenadaPesquisa Seqüencial em tabela ordenadaUm novo elemento deve ser inserido na posição correta da tabela Um novo elemento deve ser inserido na posição correta da tabela public static int insere(int arg) {public static int insere(int arg) {

int dev, n, i, temp, temp2;int dev, n, i, temp, temp2;n = tamTAB-1;n = tamTAB-1;i = 0;i = 0;

if (ultimoElemento < tamTAB) { if (ultimoElemento < tamTAB) { while ((tabela[i] < arg) && (i < n)) {while ((tabela[i] < arg) && (i < n)) { i++; i++; }} temp2 = arg;temp2 = arg; while (i < n) {while (i < n) { temp = tabela[i];temp = tabela[i]; tabela[i] = temp2;tabela[i] = temp2; temp2 = temp;temp2 = temp; i++;i++; }} tabela[i] = temp2;tabela[i] = temp2; ultimoElemento++;ultimoElemento++;

}}......

1414Pesquisa em TabelaPesquisa em Tabela

Pesquisa BináriaPesquisa BináriaBusca é relativamente simples e rápidaBusca é relativamente simples e rápida

public static int busca(int arg) {public static int busca(int arg) {

int i, n, e, inf, sup, med;int i, n, e, inf, sup, med;......

while ((inf <= sup) && (e==0)) while ((inf <= sup) && (e==0)) { {

med = (inf + sup) >> 1; // (inf + sup) DIV 2med = (inf + sup) >> 1; // (inf + sup) DIV 2if (arg == tabela[med]) { if (arg == tabela[med]) { e = med;e = med;} else {} else {if (arg > tabela[med]) {if (arg > tabela[med]) {inf = med + 1;inf = med + 1;}}else {else {sup = med - 1;sup = med - 1;}}}}

}}return e;return e;

}}

1515Pesquisa em TabelaPesquisa em Tabela

Pesquisa BináriaPesquisa BináriaA inserção é mais lenta pois deve-se inserir o elemento na posição correta e A inserção é mais lenta pois deve-se inserir o elemento na posição correta e

depois reordenar os demais elementos depois reordenar os demais elementos public static int insere(int arg) {public static int insere(int arg) {

int i, n, e, inf, sup, med;int i, n, e, inf, sup, med;......if (ultimoElemento < tamTAB) { if (ultimoElemento < tamTAB) { while ((inf <= sup) && (e==0)) { while ((inf <= sup) && (e==0)) { med = (inf + sup) >> 1; // (inf + sup) DIV 2med = (inf + sup) >> 1; // (inf + sup) DIV 2if (arg > tabela[med]) {if (arg > tabela[med]) {inf = med + 1;inf = med + 1;}}else {else {sup = med - 1;sup = med - 1;}}}}......while (i < tamTAB-1) {while (i < tamTAB-1) {temp = tabela[i];temp = tabela[i];tabela[i] = temp2;tabela[i] = temp2;temp2 = temp;temp2 = temp;i++;i++;}}......

1616Pesquisa em TabelaPesquisa em Tabela

HashingHashingFunção de cálculo de endereço (simples):Função de cálculo de endereço (simples):

f(C)=(C mod N)+1, f(C)=(C mod N)+1, ondeonde C C é a chaveé a chave ee N N é o número de é o número de entradas da tabelaentradas da tabela

Problema: ColisõesProblema: Colisões

Sem o tratamento de colisões o método é excelente !Sem o tratamento de colisões o método é excelente !

Tratamento de Colisões: uso de endereçamento aberto Tratamento de Colisões: uso de endereçamento aberto com busca linearcom busca linear

1717Pesquisa em TabelaPesquisa em Tabela

HashingHashingBusca com tratamento de colisões: maior complexidade no Busca com tratamento de colisões: maior complexidade no

código e aumento na memória de dados (tabelas auxiliares: código e aumento na memória de dados (tabelas auxiliares: ocupado e usado)ocupado e usado)

public static int busca(int arg) {public static int busca(int arg) {

......

do {do { if (tabUsado[endl] == 1) {if (tabUsado[endl] == 1) {

if ((tabOcupado[endl] == 1) && (tabela[endl] == arg)) if ((tabOcupado[endl] == 1) && (tabela[endl] == arg)) {{

e = endl;e = endl;} else {} else { if (endl == n) {if (endl == n) { endl = 1;endl = 1; } else {} else { endl++;endl++;}}

}} ......

1818Pesquisa em TabelaPesquisa em Tabela

HashingHashingInserção com tratamento de colisões: também maior Inserção com tratamento de colisões: também maior

complexidade no código e maior memória de dadoscomplexidade no código e maior memória de dados

public static int insere(int arg) {public static int insere(int arg) { ......

do {do {if (tabUsado[endl] == 1) {if (tabUsado[endl] == 1) { if (tabOcupado[endl] == 1) {if (tabOcupado[endl] == 1) { if (tabela[endl] == arg) {if (tabela[endl] == arg) {

e = endl;e = endl; } else {} else {

endl++;endl++; }} } else {} else { if (marca == 0) {if (marca == 0) {

marca = endl;marca = endl;endl++;endl++;

} } ......

1919Pesquisa em TabelaPesquisa em Tabela

Resultados (32 entradas)Resultados (32 entradas)

OBS: Valores médios de desempenho, área e potência.OBS: Valores médios de desempenho, área e potência.

App

Prg. Mem. (bytes)

Data Mem.(bytes)

Seq. 1

140

171108

1.121

Seq. 2

201

168240

1.128

Binary

302

114184602

Hashing

278

248254437

2002.685.063

2.6292.702.674

2.4301.100.436

4871.044.637

470.692 6.249.144 5.744.422 1.161.693

SearchInsert

Perfom.(cycles)

SearchInsert

Power(CGs)

SearchInsert

Instructions 24 26 28 29

2020Pesquisa em TabelaPesquisa em Tabela

Resultados para Hashing (32 entradas) Resultados para Hashing (32 entradas) trabalhando com Stringstrabalhando com StringsUtilizando o código ASCII com compressão de chave Utilizando o código ASCII com compressão de chave

alfanumérica agrupando de 2 em 2 bytesalfanumérica agrupando de 2 em 2 bytes

Ex: BRASILEx: BRASIL

BRBR 01000010010100100100001001010010

ASAS 01000001010100110100000101010011 XORXOR

ILIL 01001001010011000100100101001100

0100001001010010 = 169780100001001010010 = 169781010

f(C)=(C mod N)+1f(C)=(C mod N)+1 = (16978 mod 32)+1 = 14 = (16978 mod 32)+1 = 14

2121Pesquisa em TabelaPesquisa em Tabela

App

Prg. Mem. (bytes)

Data Mem.(bytes)

Hashing

278

248254437487

1.044.637 1.161.693

SearchInsert

Perfom.(cycles)

SearchInsert

Power(CGs)

SearchInsert

Instructions 29

Hashingc/ String

371

272272607657

1.451.017 1.570.541

37

Resultados para Hashing (32 entradas) Resultados para Hashing (32 entradas) trabalhando com Stringstrabalhando com Strings

2222Pesquisa em TabelaPesquisa em Tabela

Resultados (128 entradas)Resultados (128 entradas)

OBS: Valores médios de desempenho, área e potência.OBS: Valores médios de desempenho, área e potência.

App

Prg. Mem. (bytes)

Data Mem.(bytes)

Seq. 1

140

555300

3.905

Seq. 2

201

552816

3.912

Binary

302

306548770

Hashing

278

855862437

2009.397.287

9.937 9.720.722

7.657 1.882.485

487992.903

470.692 23.716.169 18.151.875 1.162.748

SearchInsert

Perfom.(cycles)

SearchInsert

Power(CGs)

SearchInsert

Instructions 24 26 28 29

2323Algoritmos de OrdenaçãoAlgoritmos de Ordenação

EstratégiasEstratégiasBubble SortBubble Sort

Insert SortInsert Sort

Select SortSelect Sort

Quick SortQuick Sort

Resultados EsperadosResultados EsperadosAssociados com a complexidade de cada algoritmoAssociados com a complexidade de cada algoritmo

2424Algoritmos de OrdenaçãoAlgoritmos de Ordenação

Bubble SortBubble Sort

public static int[] sort(int[] estrut, int maxnos) {public static int[] sort(int[] estrut, int maxnos) {

int i,j;int i,j;int temp;int temp;

for (i=0; i<maxnos-1; i++) {for (i=0; i<maxnos-1; i++) { for (j=maxnos-1; j>i; j--) { for (j=maxnos-1; j>i; j--) { if (estrut[j]<estrut[j-1]) { if (estrut[j]<estrut[j-1]) { temp=estrut[j];temp=estrut[j]; estrut[j]=estrut[j-1];estrut[j]=estrut[j-1]; estrut[j-1]=temp;estrut[j-1]=temp; }} }} }}

return estrut;return estrut;}}

2525Algoritmos de OrdenaçãoAlgoritmos de Ordenação

Insert SortInsert Sort public static int[] sort(int[] estrut, int maxnos) {public static int[] sort(int[] estrut, int maxnos) {

int i,j;int i,j;

int temp;int temp;

for (i=1; i<maxnos;i++) {for (i=1; i<maxnos;i++) {

j=i;j=i;

while (estrut[j]<estrut[j-1] && j!=1) {while (estrut[j]<estrut[j-1] && j!=1) {

temp=estrut[j];temp=estrut[j];

estrut[j]=estrut[j-1];estrut[j]=estrut[j-1];

estrut[j-1]=temp;estrut[j-1]=temp;

jj----;;

}}

}}

return estrut;return estrut;

}}

2626Algoritmos de OrdenaçãoAlgoritmos de Ordenação

Select SortSelect Sort public static int[] sort(int[] estrut, int maxnos) {public static int[] sort(int[] estrut, int maxnos) {

int i,j;int i,j;int temp, menor;int temp, menor;

for (i=1;i<maxnos;i++) {for (i=1;i<maxnos;i++) { menor=i-1;menor=i-1; j=i;j=i; while (j<maxnos) {while (j<maxnos) { if (estrut[menor]>estrut[j]) { if (estrut[menor]>estrut[j]) { menor=j;menor=j;

}} jj++++;; }} temp=estrut[i-1];temp=estrut[i-1]; estrut[i-1]=estrut[menor];estrut[i-1]=estrut[menor]; estrut[menor]=temp;estrut[menor]=temp;

}}return estrut;return estrut;

}}

2727Algoritmos de OrdenaçãoAlgoritmos de Ordenação

Quick SortQuick Sort public static int[] sort(int l, int r) {public static int[] sort(int l, int r) {

......i = l;i = l;j = r;j = r;temp = (l+r) >> 1; // (l+r) DIV 2temp = (l+r) >> 1; // (l+r) DIV 2x = estrut[temp];x = estrut[temp];

do {do { while (estrut[i] < x) { while (estrut[i] < x) { i++i++; }; } while (x < estrut[j]) { jwhile (x < estrut[j]) { j----;};} if (i <= j) { if (i <= j) { y = estrut[i];y = estrut[i];

estrut[i] = estrut[j];estrut[i] = estrut[j];estrut[j] = y;estrut[j] = y;

i++i++;;j--j--;;

}} } while (i <= j);} while (i <= j); if (l < j) { sort(l, j); }if (l < j) { sort(l, j); } if (i < r) { sort(i, r); }if (i < r) { sort(i, r); }

return estrut;return estrut;}}

2828Algoritmos de OrdenaçãoAlgoritmos de Ordenação

Resultados (10 elementos)Resultados (10 elementos)

App

Sort BubbleSort InsertSort SelectSort Quick

Prg Mem(bytes)

132129138173

Data Mem(Bytes)

2789898

140

Instr

20202223

Perfor.(Cycles)

6774409353353940

Power(CGs)

16.348.5109.754.005

12.929.0689.485.919

2929Algoritmos de OrdenaçãoAlgoritmos de Ordenação

Resultados (100 elementos)Resultados (100 elementos)

App

Sort BubbleSort InsertSort SelectSort Quick

Prg Mem(bytes)

132129138173

Data Mem(Bytes)20.434

638638336

Instr

20202223

Perfor.(Cycles)892.347856.188408.67572.186

Power(CGs)

2.096.575.2052.044.626.628996.468.801173.527.751

3030Raiz QuadradaRaiz Quadrada

Utiliza dois Métodos propostos por Utiliza dois Métodos propostos por RamamoorthyRamamoorthyDois métodos muito similaresDois métodos muito similares

O desempenho está relacionado a rapidez da O desempenho está relacionado a rapidez da convergência das funçõesconvergência das funções

Resultados:Resultados:

App

Square 1Square 2

Prg Mem(bytes)

100121

Data Mem(Bytes)

8282

Instr

2224

Perfor.(Cycles)

53355335

Power(CGs)

7.001.4147.001.414

3131ConclusõesConclusões

Cálculo do SenoCálculo do SenoPermite uma boa exploração do espaço de projetoPermite uma boa exploração do espaço de projeto

Pesquisa em TabelaPesquisa em TabelaO melhor algoritmos dependerá muito da aplicação, mas O melhor algoritmos dependerá muito da aplicação, mas

também pode-se explorar o espaço de projetotambém pode-se explorar o espaço de projeto

Algoritmos de OrdenaçãoAlgoritmos de OrdenaçãoNão permitem explorar o espaço de projeto (contra-Não permitem explorar o espaço de projeto (contra-

exemplo)exemplo)

Raiz QuadradaRaiz QuadradaDados muitos incipientesDados muitos incipientes

3232Trabalhos FuturosTrabalhos Futuros

Expandir a biblioteca com outros algoritmosExpandir a biblioteca com outros algoritmosAlgoritmos aritméticosAlgoritmos aritméticos

Algortimos maiores (DCT, etc...)Algortimos maiores (DCT, etc...)

Avaliar o impacto dos algoritmos em Avaliar o impacto dos algoritmos em problemas maioresproblemas maioresAlgortimos de HuffmanAlgortimos de Huffman

MP3 PlayerMP3 Player

etc ...etc ...