[论文解读] Transparent Programming of Heterogeneous Smartphones for Sensing

Felix Xiaozhu Lin, Zhen Wang+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 11, 2011

Mobile Crowdsensing and Crowdsourcing参考文献 29被引用 4

一句话总结

本文提出 Reflex，一种用于异构智能手机的透明编程框架，通过将传感器处理任务卸载到超低功耗处理器，显著降低能耗。通过采用一种新颖的软件分布式共享内存（DSM）设计，Reflex 实现了无缝的高级应用开发，仅需极少代码修改，即可在仅消耗低功耗处理器 10% 本地内存的情况下，将系统功耗降低高达 83%。

ABSTRACT

Sensing on smartphones is known to be power-hungry. It has been shown that this problem can be solved by adding an ultra low-power processor to execute simple, frequent sensor data processing. While very effective in saving energy, this resulting heterogeneous, distributed architecture poses a significant challenge to application development. We present Reflex, a suite of runtime and compilation techniques to conceal the heterogeneous, distributed nature from developers. The Reflex automatically transforms the developer's code for distributed execution with the help of the Reflex runtime. To create a unified system illusion, Reflex features a novel software distributed shared memory (DSM) design that leverages the extreme architectural asymmetry between the low-power processor and the powerful central processor to achieve both energy efficiency and performance. We report a complete realization of Reflex for heterogeneous smartphones with Maemo/Linux as the central kernel. Using a tri-processor hardware prototype and sensing applications reported in recent literature, we evaluate the Reflex realization for programming transparency, energy efficiency, and performance. We show that Reflex supports a programming style that is very close to contemporary smartphone programming. It allows existing sensing applications to be ported with minor source code changes. Reflex reduces the system power in sensing by up to 83%, and its runtime system only consumes 10% local memory on a typical ultra-low power processor.

研究动机与目标

• 解决在具有异构、分布式架构的智能手机上开发节能传感应用的挑战。
• 使应用开发者能够像在单个处理器上运行一样编写代码，隐藏分布式执行的复杂性。
• 通过利用低功耗处理器与主处理器之间的架构不对称性，实现高能效和高性能。
• 支持现有传感应用的无缝迁移，仅需极少源代码修改。
• 设计轻量级运行时系统，使超低功耗处理器上的开销最小化。

提出的方法

• 设计一种新颖的软件分布式共享内存（DSM）系统，利用低功耗处理器与主处理器之间的极端不对称性，实现透明的数据共享。
• 实现 Reflex 运行时系统，自动转换并管理跨异构处理器的代码分发。
• 使用静态和动态编译技术分析并卸载传感器处理任务至超低功耗处理器。
• 将 Reflex 系统集成到基于 Maemo/Linux 的智能手机平台，并配备三处理器硬件原型。
• 优化处理器之间的数据移动与同步，以最小化延迟和能耗开销。
• 通过自动代码转换和运行时管理，隐藏底层分布式架构，实现高级应用编程。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在保持高能效的同时，使异构智能手机的应用开发对开发者透明？
• RQ2 哪些系统级抽象能够有效隐藏低功耗处理器与主处理器之间分布式执行的复杂性？
• RQ3 软件 DSM 设计在多大程度上能利用架构不对称性来降低移动传感中的能耗？
• RQ4 运行时系统在超低功耗处理器上引入了多少性能和能耗开销？
• RQ5 现有传感应用能否在极少代码修改的情况下迁移到该框架？

主要发现

• 与传统方法相比，Reflex 在传感工作负载中可将系统功耗降低高达 83%。
• Reflex 运行时系统在典型超低功耗处理器上仅消耗 10% 的本地内存，表明开销极低。
• 现有传感应用可仅通过极少源代码修改便迁移到 Reflex 框架，支持接近现代智能手机开发的编程风格。
• 软件 DSM 设计成功构建了统一系统的假象，实现了无需开发者感知底层硬件分布的透明分布式执行。
• 该框架在实现显著节能的同时保持了高性能，证明了利用架构不对称性的有效性。
• 在三处理器硬件原型上的评估证实了 Reflex 系统在真实传感场景中的可行性与高效性。