嵌入式系統低功耗軟件技術探析

畢偉

（廣西大學機械工程學院，廣西 南寧530004）

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嵌入式系統低功耗軟件技術探析

畢偉

（廣西大學機械工程學院，廣西 南寧530004）

摘要：隨著嵌入式系統在計算機信息化控制技術中的廣泛應用，如何更好提高嵌入式技術質量，為計算機技術發展提供支持就成為我們技術研究的主要內容。以嵌入式系統低功耗軟件技術發展為核心，利用復雜網絡環境技術為嵌入式系統技術水平的提高開展技術研究。

關鍵詞：嵌入式系統；低功耗；軟件技術；復雜網絡

嵌入式系統，即完全嵌入受控器件內部，為特定應用而設計的專用計算機系統，其應用研究成為計算機系統技術研究的重要內容。在嵌入式系統技術研究中，技術人員發現，嵌入式系統的采用可以提高計算機運行效率，對于計算機環保性能、運行速度等多方面有著正面因素影響，因此嵌入式系統低功耗技術在計算機系統研究中得到了廣泛采用。為了確實發揮嵌入式系統作用，計算機技術人員以新型低功耗技術為基礎開展了此次研究工作。

1　研究的意義［1］

1.1研究的意義

在計算機技術研究中，嵌入式系統低功耗技術研究的開展具有三個重要的作用：

一是，減少了電子污染與對能源的消耗；二是，提高硬件系統技術發展；

三是，提高移動系統使用時間與技術性能。

所以這一研究的開展，既可以保證綠色信息技術的發展，同時又為計算機技術提供了新的發展空間。

1.2功耗的來源

計算機系統功耗的產生是由于硬件系統中出現發熱現象，由于系統散熱較差進而就會出現功耗提高的現象。另外軟件系統運行較慢造成的系統資源浪費，也會造成功耗的提升主要原因。

1.3面臨的問題

低功耗技術面臨的主要問題如下：一是，采用高散熱、導電性能材料降低系統功耗；二是，采用更好地計算機硬件技術與軟件模型降低嵌入式系統功耗。

本文在研究中主要針對技術性手段降低系統功耗開展研究。

2　嵌入式功耗優化技術介紹

2.1嵌入式系統簡介

嵌入式系統技術核心在于將控制系統完全嵌入受控器件內部，為特定應用而設計的專用計算機系統。其主要是由一個或幾個預先編程好以用來執行少數幾項任務的微處理器或者單片機組成。

2.2嵌入式功耗優化技術介紹

2.2.1硬件功耗模型

系統硬件功耗是系統硬件運行中，產生的主要功耗。其功耗產生主要集中在微處理器運行功耗中。在技術研究體系內其功耗模型為：

P=Pcore+Pio

式中：

P為微處理器功耗；Pcore為處理器內核功耗；Pio為系統外部接口控制器功耗。兩者相加極為系統的硬件功耗數據。

Pcore的功耗控制中應降低微處理器的時鐘頻率減少功耗。Pio功耗降低在于降低各控制器運行功耗與總線位數變窄。

2.2.2軟件級功耗模型

系統軟件功耗為軟件系統運行中產生的功耗內容。由于嵌入式軟件系統的作用，就是降低軟件功耗，所以其是此次研究的重點，其功耗模型為：

E0=P0×T0=f（C0）×T0

E0為軟件功耗；

P0為軟件平均功率數據；

T0為軟件運行的總時間；

C0為軟件或硬件功耗度量。模型中的P0與C0存在函數關系。

2.2.3編譯優化

在嵌入式系統運行過程中，利用編譯優化技術降低系統功耗是也是當前較為常用的功耗降低技術。其主要編譯技術包括了以下幾點：

一是，傳統的乘法操作因其運行時間較長，造成其耗能較大。而采用了移位操作與加法操作模式，降低系統操作造成的功耗如圖1所示。

圖1　編碼方式替代圖例

二是，減少操作中的冗余代碼。在cache運行中，冗余代碼的減少對于極大的降低其運行功耗。

三是，優化I/O運行程序。利用技術手段壓縮I/O數據減少數據在接口運行次數是降低系統功耗的主要手段。

3　基于復雜網絡的優化模型

復雜網絡是嵌入式系統的主要特點，只有證明了軟件系統為復雜網絡，系統優化才能繼續進行。在優化模型的建立過程中，技術人員需要證明嵌入式系統具有復雜網絡特點。

（1）證明嵌入結構圖是復雜網絡。技術人員首先在軟件系統中提取出DFG圖，開展復雜網絡證明。其證明過程就是將DFG圖進行簡化，得到系統的軟件模型圖進行分析。簡化過程包括了確定系統中的各實體、確定實體中連接關系以及連接實體三個主要過程。在軟件模型圖完成后，我們對其圖形進行分析。如果其圖形符合復雜網絡中的網絡小世界模型特點，即可證明此系統為復雜網絡。

（2）算法中用到的復雜網絡性質。在證明了系統為復雜網絡環境后，技術人員需要對模型對DFG圖進行計算，實現功耗優化的目的。

3.1平均路徑長度模型

系統平均路徑長度的計算是首先需要使用的系統模型，其作用是測量系統平均路徑長度，在其基礎上優化管理路徑。其系統模型［2］。

L=uijN（N-1）/2

其中：

L為網絡中的平均路徑長度；N為網絡中的平均節點數。

3.2聚類系數模型

聚類系數主要表現的是復雜網絡中網絡間的關系，其作用是用于表示復雜網絡各節點關系，用于優化管理進行。聚類即以節點i為核心將Ki條邊進行連接［2］。

Ci=Ei/Ki（Ki-1）

其中：

Ci為節點i的聚類系數。

3.3度和度分布模型

度作為復雜網絡中單獨節點的重要概念，其主要系數為Ki、平均節點度＜k＞以及分布函數P＜k＞三個組成部分。其應用可以表現出復雜網絡中的量化數值［2］。

4　基于復雜網絡的優化算法及實驗測試

復雜網絡優化算法的應用在實際計算中需要經過以下過程［3］：

（1）提取DFG圖。首先需要利用程序，自動生成系統的DFG圖進行提取。如圖2所示。

圖2　簡單的DFG圖例

在算法1應用中，每次循環中都進行DFG圖的提取。而算法2只需要提取一次DFG圖計算即可。

（2）自動生成測試用例。在提取DFG圖后，技術人員可以利用人工或隨機方式，在需要優化的程序中自動生成測試用例，用以完成優化過程。

（3）功耗優化算法及評估。系統功耗優化算法包括了算法1與算法2.算法1包括10個步驟，其對計算每個循環變化都進行分析與優化。算法2包括8個步驟，其只對系統中一次循環中變化問題進行分析優化。兩種算法的區別除了步驟繁簡外，主要區別在于在第6個步驟是否使用寄存器進行處理，使用寄存器過程即為算法2，而不使用寄存器則為算法1.如圖3所示。

圖3　算法2DFG示例圖

（4）功耗優化算法及評估。在技術研究中發現，算法1因進行了多次分析優化，所以其優化質量優于算法2.但是由于其步驟較多，造成了其優化過程較之算法2更加復雜工作量更大。

5　結束語

嵌入式系統的使用，對降低計算機系統功耗發揮著重要作用。特別是在復雜網絡技術環境下的低功耗技術優化的應用，對于信息化技術發展有著技術促進作用。這一技術領域的發展，對計算機系統技術以及移動性信息系統的發展會起到有效推動。

參考文獻：

［1］劉偉偉.嵌入式系統低功耗技術的研究和應用［D］.中國電力教育，2012.

［2］遲宗正.基于復雜網絡的嵌入式軟件功耗優化研究［D］.大連理工大學，2009.

［3］宋彥，郭兵，沈艷.嵌入式系統低功耗的軟件實現方案［J］.單片機與嵌入式系統應用，2011，（09）：10-13.

Low Power Software Technology of Embedded System

BI Wei
（School of Mechanical Engineering，Guangxi University，Nanning Guangxi 530004，China）

Abstract：With the development of embedded system technology is widely used in computer information control，how to improve the quality of embedded technology，for the development of computer technology provide support has become we study the technology of main content.In this paper，the development of low power software technology of embedded system is the core，and the technology of the embedded system technology is studied by using complex network environment technology.

Key words：embedded system；low power；consumption；complex network

中圖分類號：TP302

文獻標識碼：A

文章編號：1672-545X（2016）03-0093-02

收稿日期：2015-12-24

作者簡介：畢偉（1995-），男，山東菏澤人，本科，廣西大學機械電子工程專業。