面向嵌入式系統綠色需求的編譯技術研究

徐岳濤

摘 要：隨著各種嵌入式智能設備的廣泛普及和應用，人們生活質量得到了顯著提升，然而由此引起的環境和資源問題也越來越嚴重。以低污染、低能耗為目標的綠色需求已經成為當今社會可持續發展的必然選擇。為降低嵌入式系統的能耗，提高嵌入式設備中各資源利用率，不僅要從材料選取、設備制造進行改進，也要對其上運行的軟件進行相關優化，從而使系統適應不斷增長的綠色需求。

關鍵詞：綠色編譯器；綠色評估模型；指令調度

如今，半導體技術、移動智能終端設備迅猛發展，并且產品種類繁多，功能豐富，應用范圍廣泛，涉及到人們的工作、生活和學習的各個方面，極大地滿足了人們的物質需求，人們對其的使用數量和使用頻度也逐步增長。但是，電子產品的迅速發展也帶來了諸多負面影響，如巨大的能源消耗，釋放溫室氣體，電子垃圾含大量有毒物質等等，這些問題我們不容小視。針對以上提到的能源環境問題，以低成本、高功效、低污染、低能耗為目標的綠色技術已經成為人們關注的重點。隨著IT設備智能化自動化程度的提高，設備的功效、能耗不僅與設備硬件質量有關，也會受到其上運行軟件的影響。在相同的設備硬件上運行不同的軟件程序，將產生不一樣的能耗。因此，怎樣從軟件方面提高電子智能設備的綠色指標也是至關重要的問題。

1 嵌入式系統的指令調度方法

指令調度的主要目標是在滿足控制依賴和數據依賴的前提下，對執行序列進行調整處理，從而使生成的目標代碼有較大的并行性，確保處理器充分發揮流水線能力，進一步提高執行過程中的性能和能效。通用處理器是從系統硬件層面為程序的并行性能提供較為困難的處理邏輯來保證程序的執行效率，因此對于編譯的指令調度要求不是很高。如今，人們對于綠色電子的需求越來越高，這就要求處理器的硬件結構越簡單高效越好。因此，研發人員也就提出了各種各樣的簡單高效的嵌入式處理器，如隨機處理器、時序推測處理器等等。這些新型的簡單高效能處理器使得傳統處理器失去了原有的優勢，人們開始重點考慮良好的軟件層面指令調度的算法。此外，芯片的體積正在向著小型化發展，總線的布置也越來越密集，總線的能耗以及傳輸穩定性、信息可靠性都受到影響。因此，如何對新型結構體系進行優化，以提高體系的綠色指標已成為綠色需求中至關重要的問題。在提高總線能效的過程中，考慮到總線翻轉編碼即簡單又高效，所以常將其應用于嵌入式體系結構之中。對于TS處理器以及帶翻轉編碼的嵌入式結構，一般采用適應性指令調度的優化方法，以降低總能系統能耗，提高處理器功效，均衡各個線路的使用率，從而使相應體系結構的綠色優化指標穩定提升。

處理器、存儲器和總線系統是計算機中能源消耗的主要部件。一般指令調度的方法是針對特定體系機構的某一特定方面，比如隨機處理器的存儲器部分，帶總線翻轉編碼的總線部分，很少綜合該指令調度方法對多個部分的影響。因此，怎樣綜合考慮多個方面的因素，設計針對多目標的指令調度方法是日后研發人員的研究重點。

2 多目標數據分配優化方法

存儲系統是計算機系統中至關重要的組成部分，其資源利用度以及能耗直接影響系統的綠色指標。而編譯時對數據的合理分配正是對存儲系統資源利用度的直觀表現。數據的分配方案不同，就會產生不同的存儲利用率以及能耗。于此同時，數據分配方案的差異也會改變程序最終生成的指令，從而使數據總線中的傳輸耗損和傳輸能耗等綠色指標受到影響。怎樣在數據分配過程中綜合考慮系統的綠色指標以及總線的綠色指標是提高整個系統綠色指標的重點。

編譯器優化過程的重要環節之一就是數據分配。數據分配通過對系統可用資源以及程序中的數據進行分析，確定哪些寄存器儲存哪些數據，哪些內存存放哪些數據，從而保證程序在有限的存儲空間中可以順利運行。針對不同的優化目標，有相應的數據分配方案，比如中斷比較多的嵌入式程序就希望盡可能少的寄存器，以減少中斷恢復和中斷保護的開銷；而性能比較優化的程序就希望充分使用所有儲存器，盡可能減少其訪問內存頻率，提高執行能力。由于寄存器數量有限，程序中不可避免會要求把一些計算結果和變量移存到緩存或內存等存儲單元。因此，怎樣合理的分配這些數據，也是提高系統綠色指標不可忽視的重要部分。數據分配不僅僅是編譯器后面端口的主要任務，并且在程序運行時對總線系統和存儲系統的綠色指標也有著重要影響。

3 結語

本文的某些優化理論是在現有技術上進行優化改進，雖然可以在一定程度上提升綠色指標，但是，綠色指標的提升度并不是特別明顯。怎樣根據新的綠色指標需求的特點，而設計研發出針對性比較強的編譯優化方法，這對于綠色編譯技術的提高有著更積極的作用。雖然編譯技術已經有了很長的研究，但是還遠遠不夠，綠色編譯技術仍然還存在著很大的發展空間。

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