The analysis of energy consumption and performance is essential to design and optimize mobile systems because of their limited battery capacity. Full-system simulation provides detailed performance metrics for an entire system. Thus it has been widely used for designing and optimizing microarchitectures and mobile systems. The gem5 simulator provides full-system simulation based on the ARM architecture and Android for mobile systems. However, gem5 for mobile systems does not support wireless network interfaces and can not configure various networking environments such as network errors and network types. Furthermore, gem5 provides only performance statistics without power consumption data. This thesis presents a mobile full-system simulation framework based on an enhanced gem5 that includes a simulated mobile system, a simulated server system, and a simulated Ethernet, which enables us to configure various networking environments, in addition to power models for the main components of mobile systems: CPU/caches, DRAM, network interfaces, and display. Using mobile applications and SPEC CPU2006 benchmarks, this thesis shows that the proposed mobile full-system simulator achieves performance accuracy within 26.8% error rate for various network packet loss rates, and power modeling accuracy within 12.8% error rate, compared with Nexus 5. This mobile full-system simulator considering the real networking environments provides the energy consumption and performance analysis of not only hardware components, but also application processes and threads at the same time. This thesis also discovers energy-inefficient tasks and the inefficiency of the DVFS ondemand governor on network delays using the proposed mobile full-system simulation framework.
모바일 시스템에서 제한된 배터리 용량 때문에 소비 에너지 및 성능 분석은 최적화뿐만 아니라 차세대 시스템을 설계하기 위해서 필수적이다. 전체 시스템 시뮬레이션은 전체 시스템에 대해 세밀하고 자세한 성능 지표를 제공한다. 그래서 마이크로아키텍처를 최적화 하고 설계 하는 데 있어서 널리 쓰인다. gem5 시뮬레이터는 모바일 시스템을 위해서 ARM 중앙처리장치에 대한 아키텍처와 안드로이드 시스템을 시뮬레이션 할 수 있는 각 하드웨어 요소 뿐만 아니라 전체 시스템 시뮬레이션을 제공한다. 하지만 모바일 시스템을 위한 gem5는 무선 네트워크 인터페이스를 지원하지 않으며, 네트워크 에러와 네트워크 유형과 같은 네트워킹 환경을 설정할 수가 없다. 게다가, gem5는 에너지 소비에 대한 정보 없이 단순히 성능 지표만을 제공한다. 본 연구에서는 강화된 gem5를 기반으로 한 모바일 전체 시스템 시뮬레이션 프레임워크를 제안한다. 이 프레임워크에는 시뮬레이션되는 모바일 시스템, 시뮬레이션되는 서버 시스템, 시뮬레이션되는 이더넷 네트워크를 포함한다. 이는 우리에게 다양한 네트워킹 환경을 설정할 뿐만 아니라, 모바일 시스템의 주요 하드웨어 요소인 중앙처리장치/캐시, 디램, 네트워크 인터페이스, 디스플레이에 대한 파워 모델을 제공한다. 실제 모바일 응용 프로그램과 SPEC CPU2006 벤치마크를 이용하여, 이 연구에서는 제안한 모바일 전체 시스템 시뮬레이터가 실제 Nexus5 디바이스와 비교하여 다양한 네트워크 패킷 손실 에러에 대해 성능 정확도가 최대 26.8%의 에러 비율을 가지며, 파워 모델링 정확도가 12.8% 에러 비율 이내라는 것을 보여 준다. 실제 네트워킹 환경을 고려한 이 모바일 전체 시스템 시뮬레이터는 하드웨어 요소 뿐만 아니라 응용 프로그램의 프로세스 및 스레드에 대한 에너지 소비 및 성능 분석 결과를 제공한다. 또한 이 연구에서는 제안한 모바일 전체 시스템 시뮬레이션 프레임워크를 이용하여 에너지 비효율적인 작업과 DVFS ondemand 가버너의 비효율성을 발견하였다.
