Méthodes d’optimisation pour l’allocation mémoire dans les systèmes embarqués Maria Soto To cite this version: Maria Soto. Méthodes d’optimisation pour l’allocation mémoire dans les systèmes embarqués. Recherche opérationnelle [cs.RO]. Université Européenne de Bretagne; Université de Bretagne-Sud, 2011. Français. tel-01096412 HAL Id: tel-01096412 https://hal.archives-ouvertes.fr/tel-01096412 Submitted on 17 Dec 2014 HAL is a multi-disciplinary open access L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est archive for the deposit and dissemination of sci- destinée au dépôt et à la diffusion de documents entific research documents, whether they are pub- scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, lished or not. The documents may come from émanant des établissements d’enseignement et de teaching and research institutions in France or recherche français ou étrangers, des laboratoires abroad, or from public or private research centers. publics ou privés. THÈSE / UNIVERSITÉ DE BRETAGNE SUD présentée par sous le sceau de l’Université Européenne de Bretagne Pour obtenir le grade de : DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ DE BRETAGNE SUD María Consuelo Soto Lima Mention : STIC École Doctorale SICMA Lab-STICC Thèse soutenue le 29 Septembre 2011, Optimization methods for the devant la commission d’examen composée de : Mme. Alix Munier memory allocation problems in Professeur des Universités, Université Pierre et Marie Curie / Rapporteur M. Christian Prins Professeur des Universités, Université de Technologie de Troyes / Rapporteur embedded systems M. Manuel Laguna Professeur des Universités, University of Colorado at Boulder / Rapporteur M. Daniel Chillet Maître de Conférences, Ecole Nat. Sup. des Sciences Appliquées et de Technologie / Examinateur M. Stéphane Dauzère-Pérès Professeur des Universités, Ecole des Mines de Saint Etienne / Examinateur M. Marc Sevaux Professeur des Universités, Université de Bretagne-Sud / Directeur de thèse M. André Rossi Maître de Conférences, Université de Bretagne-Sud / Co-directeur de thèse Résumé Abstract La gestion de la mémoire pour les systèmes embarqués a un im- Memory allocation in embedded systems is one of the main chal- pact significatif sur les performances et sur la consommation én- lenges that electronic designers have to face. This part, rather diffi- ergétique de ces systèmes embarqués. Comme l’allocation mémoire cult to handle is often left to the compiler with which automatic rules n’est pas une tâche simple, elle est souvent laissée au compila- are applied. Nevertheless, a carefully tailored allocation of data to teur. Néanmoins, une allocation mémoire soigneusement optimisée memory banks may lead to great savings in terms of running time peut conduire à des économies substantielles en termes de la durée and energy consumption. This thesis addresses various versions d’exécution et de consommation d’énergie. Cette thèse présente of the memory allocation problem. At each version the problem’s différentes versions du problème d’allocation mémoire, par difficulté difficulty increases, i.e., the number of constraints increases. The croissante. Le nombre de bancs mémoire, leur capacité, la taille et le number of memory banks, bank capacities, sizes and number of ac- nombre d’accès des structures de données et les conflits entre struc- cesses of data structures, and the conflicting data structures at each tures de données à chaque intervalle de temps sont les principales time interval are the main constrains handled in the memory alloca- contraintes prises en compte dans ces problèmes. Pour chaque ver- tion problems. In this work we present an ILP formulation and some sion du problème, un programme linéaire en nombres entiers (PLNE) metaheuristics implemented for each problem version. We also as- est proposé pour la résoudre de manière exacte; ainsi que quelques sess our metaheuristics with the exact methods and other literature méta-heuristiques. Ces travaux ambitionnent également d’analyser metaheuristics with the aim of highlighting what makes the success les modèles et les méthodes proposés, afin de mettre en évidence of metaheuristics for these problems. ce qui fait le succès des méta-heuristiques dans ce domaine. n d’ordre : 238 Université de Bretagne Sud Lab-STICC Centre de Recherche Christiaan Huygens - BP 92116, 56321 Lorient CEDEX Tél : + 33(0)2 97 87 45 62 Fax : + 33(0)2 97 87 45 27 —————————————————————————————————— Remerciements Je remercie Mme. Alix Munier, Professeur des Universités, Université Pierre et Marie Curie, M. Christian Prins, Professeur des Universités, Université de Technologie de Troyes et M. Manuel Laguna, Professeur des Universités, University of Colorado at Boulder, d’avoir bien voulu accepter la charge de rapporteur. Je remercie M. Daniel Chillet, Maître de Conférences, Ecole Nat. Sup. des Sci- ences Appliquées et de Technologie et M. Stéphane Dauzère-Pérès, Professeur des Universités, Ecole des Mines de Saint Etienne, d’avoir bien voulu accepter la charge d’examinateur. Mes plus sincères remerciements à M. Marc Sevaux, Professeur des Universités, Université de Bretagne-Sud et M. André Rossi, Maître de Conférences, Université de Bretagne-Sud, qui ont dirigé ma thèse. Leur aide, conseil et guide m’ont été précieux pendant ces trois années. Je remercie Luis Miguel Torres, Professeur de la Escuela Politécnica Nacional del Ecuador, qui m’a encouragé à faire une thèse. Je remercie enfin Sébastien pour son amour, son soutien moral et ses conseils, mes parents Marcos et Luz María qui m’ont appris les principes dont je me servirai toute ma vie, mes beaux parents Gerard et Jeannine pour leur générosité et aide, ma soeur Xi- mena et mon frère Ivan qui m’ont soutenus et encouragés, et mes amis Daniel, Chantal, Cécile et Mickaël qui m’ont offert leur sympathie. Contents Contents 0 General Introduction 3 1 Context 7 1.1 Embedded systems .............................. 7 1.2 Memory management ............................ 9 1.3 State of the art ................................ 10 1.3.1 Software optimization ........................ 12 1.3.2 Hardware optimization ....................... 13 1.3.3 Data binding ............................. 16 1.4 Operations Research and Electronics .................... 19 1.4.1 Main challenges in applying operations research to electronics .. 20 2 Unconstrained memory allocation problem 23 2.1 Introduction .................................. 23 2.2 ILP formulation for the unconstrained memory allocation problem .... 25 2.3 Memory allocation and the chromatic number ............... 26 2.4 An illustrative example ............................ 28 2.5 Three new upper bounds on the chromatic number ............ 31 2.6 Theoretical assessment of three upper bounds ............... 35 2.7 Computational assessment of three upper bounds ............. 38 2.8 Conclusion .................................. 42 3 Memory allocation with constraint on the number of memory banks 45 3.1 Introduction .................................. 45 3.2 ILP formulation ................................ 47 3.3 An illustrative example ............................ 49 3.4 Proposed metaheuristics ........................... 50 3.4.1 A tabu search procedure ....................... 51 3.4.2 A memetic algorithm ......................... 53 3.5 Computational results and discussion .................... 55 3.6 Conclusion .................................. 57 4 General memory allocation problem 59 4.1 Introduction .................................. 59 4.2 ILP formulation for the general memory allocation problem ....... 61 4.3 An illustrative example ............................ 63 4.4 Proposed metaheuristics ........................... 65 4.4.1 Generating initial solutions ..................... 65 4.4.2 A tabu search procedure ....................... 67 ½ 2 Contents 4.4.3 Exploration of neighborhoods .................... 68 4.4.4 A hybrid Variable Neighborhood Search .............. 70 4.5 Computational results and discussion .................... 71 4.6 Statistical analysis .............................. 74 4.7 Conclusion .................................. 77 5 Dynamic memory allocation problem 79 5.1 Introduction .................................. 79 5.2 ILP formulation for dynamic memory allocation problem ......... 81 5.3 An illustrative example ............................ 83 5.4 Iterative metaheuristic approaches ..................... 85 5.4.1 Long-term approach ......................... 85 5.4.2 Short-term approach ........................ 87 5.5 Computational results and discussion .................... 88 5.6 Statistical analysis .............................. 90 5.7 Conclusion .................................. 91 6 General conclusions and future works 93 6.1 Summary of the memory allocation problem versions ........... 93 6.2 Intensification and diversification ...................... 95 6.3 Conclusions .................................. 96 6.4 Future works ................................. 97 References 101 List of figures 117 List of tables 119 List of algorithms 121 General Introduction This thesis addresses four memory allocation problems. The next paragraphs present the motivations of this work, the main contributions and the outline of this thesis. Motivations Embedded systems are strongly present in the contemporary society, they are supposed to make our lives more comfortable. In the industry, embedded systems are used to manage and control complex systems (e.g nuclear power plants, telecommunication, flight control, etc.); they are also taking an important place in our daily activities (e.g.,