Code Compression for Embedded Systems

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Lucas Carvalho
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1 Daniel Stefani Marcon, Thiago Nunes Kehl 30 de maio de 2008

3 Sistemas Embarcados os sistemas embarcados são dispositivos invisíveis se limitam a executar bem uma única tarefa basicamente qualquer equipamento autônomo que não é um PC, Mac ou outro tipo de computador pessoal sistemas embarcados são limitados em questão de espaço e custo memória ram é restrita

5 desenvolvimentos de 2 algoritmos para redução de código para sistemas embarcados Requisitos: 1 código deve ser descompactado partindo de qualquer ponto do arquivo 2 ganho em tamanho, custo, peso e consumo de energia 3 processador executa normalmente o código descompactado 4 descompressão só ocorre novamente quando o processador requer uma instrução não alocada ao cache

6 técnicas de compressão que funcionam sequencialmente não podem ser usadas descompactação de blocos individuais sem redução da performance com a decompressão PPM apresenta uma performance boa, mas consome muita memória

7 algorítmos da família LZ são inviáveis para decompressão de um único bloco Huffman é viável com símbolos de 8 bits nessa caso, é necessário para símbolos de 32 bits (tamanho de uma instrução RISC)

8 Possibilidade Uma abordagem alternativa seria projetar uma nova arquitetura RISC ou CISC, com codificação mais densa.

9 Abordagem deixar a arquitetura do processador intacta mexer na arquitetura da memória comprimir só a parte executável, que contém as instruções do programa

10 Arquitetura da Memória

12 SAMC Wolfe e Chanin foram os primeiros a propor um sistema compressão de instruções em sistemas embarcados, e utilizaram Huffman para compactar blocos de memória cache. -SAMC atingiu uma taxa de compressão consideravelmente melhor. a principal característica em um sistema de codificação de código, com decodificação em tempo real é a necessidade de ter acesso randômico a descompressão a compressão de código pode ser assimetrica uma vez que a descompressão é feita em tempo de execução, deve ser rápida. Já a compressão é feita só uma vez

13 SAMC utiliza um codificador aritmético binário com um modelo de Markov modelo estático é então necessário as instruções de 32bits são divididas em 4 streams de 8 bits é construído o modelo de Markov cada stream é codificada independentemente

14 SAMC

15 Modelo de Markov

16 Divisão das Instrução Há duas razões para divisão das instruções em streams 1 seria impossível gerar uma árvore de Markov para toda instrução de 32 bits 2 escolher as streams para elas terem baixa entropia e mais compressibilidade

17 Divisão da Instrução Para fazer a divisão das streams: foi calculada a correlação entre todos os 32 bits da instrução tentou-se agrupar bits com forte correlação entre si fortemente correlacionados darão altas ou baixas probabilidades para a árvore de Markov, melhorando a performance do codificador aritmético.

18 SAMC o programa combina bits com grande correlação com as streams e calcula as entropias das streams e troca alguns bits entre as streams randomicamente e recalcula as entropias se a nova média das entropias for menor, é aceito, caso contrário tenta-se uma nova combinação

19 Compressão Decompressão o compressor e decompressor utilizam os mesmos passos para fazer da codificação aritmética para uma linha de cache

20 SAMC

21 SAMC

22 SAMC redução de mais de 50 aplicações multimedia geralmente tem mais dados do que instruções, então esse algoritmo não é tão útil. já em aplicações de áudio onde complexos algoritmos são utilizados esse método é muito útil. Outro exemplo que pode ser beneficiado por esse método são as impressoras a laser que utilizam muito a memória

24 Dicionários utiliza dicionário semiadaptativo para comprimir códigos de operações (opcodes) impossibilidade de usar dicionário estático ou dinâmico (não permite acesso randômico) dicionário semiadaptativo é criado para cada programa encontrar o melhor dicionário para um programa é tido com um problema NP-completo

25 Objetivo separação das árvores de expressão dos programas em seqüências de operadores representados por um conjunto de instruções e de operandos representados por um conjunto de registradores e imediatos das instruções árvores expressão é uma seqüência de instruções interligadas através da dependência entre seus operandos opcodes em uma sequência de instruções tendem a exibir algumas dependências manter o valor do opcode em um byte

26 Problema Problema deve-se analisar a estrutura do programa substituir ocorrências de combinações de códigos de operações por índices do dicionário

27 Solção utilização do greedy-parsing geração do dicionário e parsing simultaneamente

28 SADC Para decidir qual código de operação ou qual conjunto de opcodes devem ir para o dicionário testa-se os seguinte candidatos: pares de códigos adjacentes geração de novos opcodes para instruções que aparecem frequentemente

29 SADC Geração do dicionário funciona da seguinte maneira: 1 o gerador varre o programa e cria uma árvore com todos os opcodes e suas frequências 2 todos os opcodes são inseridos no dicionário 3 codifica o arquivo 4 entradas do dicionário e da árvore são apagadas 5 o compressor calcula os ganhos para todos os opcodes 6 todas as streams comprimidas resultantes são codificadas usando Huffman

31 Testes testes realizados em arquiteturas MIPS e x86(pentium Pro) utilização benchmark SPEC95 para medir a compressibilidade dos algoritmos bloco da memória cache é de 32 bytes

32 - SADC o SADC ficou aproximadamente 4-6% melhor que o SAMC em ambas arquiteturas os métodos que utilizam dicionários geralmente são mais fáceis de implementar, mas foi provado que para qualquer método que utilize dicionário (SADC) existe um método estatístico (SAMC) que tem uma taxa de compressão igual ou maior foi projetado especificamente com um programa e conjunto de instruções obtêm-se mais compressão permite rápida implementação de hardware

33 - SAMC desenvolvido para conjuntos de instruções RISC tamanho fixo de instruções pode ser usado por qualquer tipo de arquitetura

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