嵌入式系統節能能力度量模型研究

羅殊彥, 朱怡安, 王偉超

(西北工業大學 計算機學院, 陜西 西安　710072)

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嵌入式系統節能能力度量模型研究

羅殊彥, 朱怡安, 王偉超

(西北工業大學 計算機學院, 陜西 西安710072)

摘要：針對系統節能能力度量對象單一，且很多指標無法量化的問題，從操作系統層和硬件層兩方面綜合考慮，構建出了嵌入式系統節能能力度量模型(ESCMM)。該模型從完整的嵌入式系統角度，給出了節能能力度量的統一標準。此外，還針對節能綜合評價結果不能直接刻畫出節能水平的問題，在Roofline模型的基礎上進行了改進，提出了基于Roofline模型的節能能力分析方法，并通過實例進行了驗證，有效地找出了系統能耗的瓶頸。

關鍵詞：嵌入式系統;節能能力;度量模型;ESCMM;Roofline模型

當前嵌入式系統發展迅速，已經融入到各種工業和民用設備中，大到航空航天控制系統、雷達設備，小到手機、數碼相機等設備。嵌入式系統以體積小巧、功能強大而著稱。在一塊小的單芯片上，可以實現多媒體播放、圖像處理、無線通訊等諸多功能[1]。然而，在嵌入式軟件和硬件飛速發展的同時，其能耗也隨之增大。因此，能耗控制問題就成為制約嵌入式系統發展的最重要因素。

通常嵌入式系統的電池容量是有限提供的。人們希望在系統提供高性能處理能力的同時，應盡量少為電池充電或更換電池。因此，為了確保系統擁有更強的“續航”能力，有效節能控制是其前提。一般而言，電池容量與其體積成正比，為達到體積和容量的雙重要求，就必然不斷提高電池的單位體積容量。然而，在近幾十年中，電池技術和微電子技術的發展速度以每年20%～30%的速度被拉開，兩者之間的差距并不在同一個數量級上[4]。

除此之外，在追求系統體積不斷縮小的同時，芯片散熱問題也變得愈發突出。系統中各種設備的溫度變化，都會影響設備本身的穩定度，且會使設備的后期維護費用增加[5]。正因為存在散熱問題，使得在有限的嵌入式系統空間中，還需增加散熱裝置，這也同時增加了系統的能耗與研發成本。

由此可見，高性能和低能耗本身就是存在矛盾關系，系統的節能能力是一個相對的概念。它是指嵌入式計算機通過采用一定的方法，使系統能在完成既定任務的前提下，盡量達到節約能耗的行為[7]。為了讓系統具有更強的續航能力，設計人員在設計系統之初都會采用許多節能保護措施。有的直接在硬件芯片層[8-9]上，實現簡易的算法；也有在嵌入式操作系統層[10-11]上，實現強大的能耗管理模塊。雖然這些方法都能對最終的系統能耗產生了一定的影響，但效果如何卻沒有一個統一的評價標準。因此，分析系統中不同類型的節能方法，找出其內在的聯系，并通過科學的方法給出統一的評價標準，使設計人員能夠更好地發現這些節能方法的瓶頸所在，有助于系統節能方法的改進，對嵌入式系統的發展有十分重要的意義。

屋頂模型(rooflinemodel)[12]是2008年由SamuelWilliams等人提出的，主要是用于分析處理器性能與片外存儲器帶寬利用率之間的關系，找出系統的瓶頸所在。雖然該模型最初是為了評價處理器性能而設計的，但其設計思想卻具有一定的通用性。因此，本文將通過對Roofline模型進行改進，使其能對系統的節能能力進行分析評價，有效找出節能方法的瓶頸。

1國內外研究現狀

1.1節能能力評價方法

目前，對系統能耗的測量方法主要有：硬件測量、理論計算、軟件模擬等。其中，硬件測量和理論計算所得到的能耗結果的精度欠佳，軟件模擬法所獲得節點級能耗的粒度較粗，不能進行細粒度預測。

2003年，為了貫徹落實《中華人民共和國節約能源法》以及政府有關節能的政策和要求，提高計算機產品的能源利用效率，引導企業的節能技術進步，中國節能認證產品管理委員會發布了計算機節能相關的技術規范《CCEC/T22-2003計算機節能產品認證技術要求》。

2009年，為了進一步適應計算機產業技術的發展，中國質量認證中心(CQC)頒布實施了《CQC3114-2009計算機節能認證技術規范》，該規范一直沿用至今。CQC依據該規范對臺式微型計算機和便攜式微型計算機進行CQC自愿性的資源節約認證。其中，聯想、惠普、戴爾、方正等在內的眾多國內外知名品牌計算機產品都獲得了該證書。2011年，中國發布了國家標準——《微型計算機能效限定值及能效等級》。該標準對計算機的能效限定值、節能評價值、試驗方法和實驗規則做出了詳細的規定。其中，能效限定值是強制性要求，其余為推薦性要求。

國外，在節能能力評價方法和測量工具方面的研究相比國內較完善。其成熟的產品主要有SPECpowerssj2008和EPEAT(電子產品環境評估工具)。SPECpowerssj2008是由性能評價行業的領軍者SPEC公司推出的產品，是業界第一項用于評測系統級別服務器的與運算性能相關的能耗基準測試工具，但由于SPECpowerssj2008測得的系統性能與能耗之間的關系粒度較粗，不能得到計算系統性能與能耗的關聯模型；而EPEAT是美國環保署推行的一個自愿執行的標準，采用多個等級對系統的環保表現進行綜合評價，得到較粗粒度的評估報告。

1.2Roofline模型

Roofline模型是由SamuelWilliams等人于2008 年提出的，它是現代計算機體系架構的性能分析模型，雖然提出時間不長，但卻在行業中得到了非常廣泛的運用。Williams等人建立Roofline模型的初衷，是用于直觀顯示處理器性能與片外存儲器帶寬利用之間的關系。為了達到上述目標，該模型中引入了運算強度(arithmeticintensity)的概念，它表示每個字節DRAM存取過程中所進行的浮點運算次數，即

(1)

式中，SAI表示運算強度，FLOOPs表示浮點運算總次數，BYTEs表示DRAM存取總字節數。DRAM存取總字節數是指經過高速緩存(cache)結構過濾后的那些主內存所存取的字節數，即高速緩存與內存之間交換數據的總字節數，而非處理器與高速緩存之間的交換字節數。因此，運算強度表示在特定計算機的內核(kernel)所需要的DRAM帶寬值。

Roofline模型將浮點運算性能、運算強度及內存性能緊緊聯系在一起，通過一個二維圖表顯示出來。它能以直觀并且可量化的方式，顯示計算設備所能獲得的性能范圍以及瓶頸所在。原始的Roofline模型圖可以分為兩部分，第一部分為算法最大性能受到設備帶寬的限制，第二部分為算法最大性能受到設備計算能力的限制。然而，經過改進后的Roofline模型，能夠提供關于設備性能及算法優化更多的信息，圖1為Roofline模型的示例圖。

圖1　Roofline模型示例圖

2指標體系及評價方法

在評價系統節能能力之前，首先要對系統組織結構中各個模塊進行逐一分析，確定其能耗的構成。常見的嵌入式計算機組織如圖2所示。

圖2　嵌入式計算機組織結構

從圖2可以看出，嵌入式系統的組成部分，也就是構成嵌入式系統能耗的組成部分。在嵌入式系統中，直接產生能耗的是計算機硬件，嵌入式系統各部件能耗大致比例如圖3所示。

圖3　嵌入式系統能耗比例圖

從圖3可見，通常嵌入式系統在運行過程中，顯示屏與背光所消耗的能耗最大，約占32%；其次是CPU和內存，約占24%；再次是網絡通信的消耗，約占21%，最后是硬盤，約占15%。此外，還有一些其他開銷，約占8%。

在上述討論的基礎上，本文提出了一個嵌入式系統節能能力的指標體系，如圖4所示。

圖4　節能能力指標體系

2.1操作系統層

基于操作系統層的節能方法主要包括：

1) 動態電源管理(dynamicpowermanagement,DPM)是指在系統運行時，允許動態地將系統暫時不用的設備切換到睡眠模式或切斷其電源，以降低系統能耗；當需要使用這些設備時，再重新激活，起到動態管理電源的作用。常見DPM管理策略通常有：超時策略、預測式策略、隨機模型策略。

2) 動態電壓調節(dynamicvoltageScaling,DVS)是指系統在任務執行時，動態地改變處理器的頻率和電壓，借此降低系統的能耗水平。在嵌入式系統中，系統能耗通常正比于電壓的平方與系統時鐘頻率的乘積。然而，每個任務執行都有其特殊的時鐘周期，因此可近似地認為系統的能耗正比于電壓，降低系統的電壓即可節能。DVS技術采用以時間換能耗的方式，通過降低電壓，變相地改變時鐘頻率，延長任務的執行時間，從而達到減少能耗開銷。常見的DVS管理策略有：非實時DVS調度和實時DVS調度。

3) 自適應電壓調節(adaptivevoltagescaling,AVS)是指系統在任務執行時，根據性能需求自動調整供給系統處理器的電壓，使處理器運行在能確保應用軟件正確運行的最低電壓和頻率下，以降低能量消耗。常見的自適應電壓調節方法有：EM(energymanagement)、PM(performancemonitor)、SoC調節等。

4) 支持節能的調度和管理算法。任務調度是指系統為確定一系列任務的執行順序所采取的調度策略。不同的調度策略可以決定處理器的執行方式，可以認為是系統能耗的主要來源。可根據處理器類型來劃分調度算法的種類，通常可分為單核處理器調度和多核處理器調度兩類。

2.2硬件層

基于硬件層的節能方法主要包括：

1) 處理器內核能耗節能。嵌入式系統，尤其是多核嵌入式系統中，存在大量的高性能計算，但計算量增加必定會使系統能耗也隨之增加。如何在確保處理內核進行高性能計算的同時，又保證能耗開銷少量增加。通過下列情況進行綜合評價：

(1) 是否采用寄存器文件，即線程專用單元。每個線程都有一個固定容量的寄存器文件，而且當線程的某個任務被阻塞或空轉時可以節省大量能耗；

(2) 是否共享加載未命中隊列(LMQ)，數據緩存未命中時，用以排列數據的加載未命中隊列。線程之間可以共享LMQ，通過該方法可以節省少量能耗；

(3) 是否使用分支預測器。分支歷史表可以是線程專用的，可以節省大量能耗；

(4) 是否存在用于L2緩存的DMA控制器。在緩存體和輸入輸出緩沖器之間控制數據流的用于L2緩存的DMA控制器；

(5) 是否在處理器內核與L2緩存之間存在指令與數據隊列；

(6) 在訪問片外緩存或主存儲器時，是否在片上L2緩存有緩存未命中時才激活未命中的路徑邏輯。

2) 通信能耗節能。在芯片內的總線上的通信以及設備之間的無線通信往往是一個芯片能耗的主要來源。總線編碼和編碼技術可以用來減少能源消耗的同時，增加數據的吞吐量和延遲方面的性能。無線通信在輕量級嵌入式系統通信總能耗中占主導地位。無線通信與傳統的網絡之間的主要區別在于部署的元素數目，它們的功率限制，流動性水平等。通過下列情況進行綜合評價：

(1) 是否采用了自適應偏移量總線編碼方法；

(2) 是否將把本地計算與數據進行融合；

(3) 是否存在避免兩幀同時發送的機制；

(4) 是否存在錯誤檢測機制；

(5) 是否有控制包控制機制；

(6) 是否采用外部中斷機制。

3) 顯示能耗節能。在嵌入式系統中，顯示器是與用戶進行交互的重要器件之一。由于背光顯示的原理，使得顯示器的能耗水平比其他的系統器件要高出許多。因此，在顯示能耗的節能控制方面，研究人員進行了大量研究和改進。通過下列情況進行綜合評價：

(1) 是否采用了低能耗人機交互技術。例如低能耗液晶顯示方案，該方案綜合運用了可變頻率刷新，動態色彩深度控制和補償，亮度和對比度增強背光亮度變暗的幾種技術降低能耗。

(2) 是否采用了低能耗圖形用戶界面(GUI)。例如針對筆記本電腦提出的顯示節能方案，包括Sun、X-Window、ZINC&UGL等。

4) 存儲系統能耗節能。當前存儲設備主要有基于溫徹斯特技術的機械式磁盤、基于MEMS(microelectromechanicalsystem)存儲器和基于Flash的存儲器。基于MEMS存儲器與Flash存儲器具有較高存儲密度，較快數據讀取速度，能耗低等特點。不過受限于現有技術和使用成本，目前主要以技術成熟的溫徹斯特機械式磁盤與磁盤陣列為主，故本文只考慮傳統的磁盤(陣列)、內存能耗研究現狀。

(1) 磁盤(陣列)。嵌入式系統中的數據中心磁盤(陣列)可以達到數萬個以上，消耗著大量能量。磁盤(陣列)能耗一個重要的特征是能耗與盤面轉速2.8次方成比例關系，磁盤的主要能量消耗在于維持盤面的高速旋轉上，因此在保證數據存取的前提下讓無任務磁盤處于低能耗狀態或者關閉無任務盤面成為其節能的主要思想。

常見的磁盤能耗節能方法包括：

a) 基于數據重分布(datarelocation)的方法。通過數據動態重分布，使I/O訪問集中在少數幾個磁盤上，讓其他盤面處于低能耗狀態而減少能耗，從而降低磁盤陣列的總體能耗。基于數據重分布的低能耗管理方法的主要代表有：MAID(massivearrayofidledisks)、PDC(populardataconcentration)、冬眠技術(hibernator)、DRPM。其中，在系統負載比較低的情況下，MAID和PDC能夠有效降低能耗，特別是針對歸檔存儲節能效果明顯；而DPRM和Hibernator則能夠在各種負載級別下節省能耗，同時滿足系統的性能要求。

b) 基于請求重定向(requestredirection)的方法。利用存儲系統內數據的冗余關系，將I/O訪問請求臨時重定向到cache或者活躍磁盤，以減少磁盤的活躍程度或活躍磁盤的數量，從而降低整個存儲系統的總體能耗。當前典型的基于請求重定向的低能耗技術有：基于磁盤能耗考慮的cache管理、writeoff-loading策略和eRAID方法。

(2) 內存。嵌入式系統的內存在存取過程中也存在大量能耗。內存容量與讀寫速度對系統I/O性能影響顯著，隨著高頻率、大容量內存的使用以及數據I/O密度的加大，內存能耗趨于增長之勢。內存有多種不同性能與能耗特征的工作模式，如Rambus公司的DRAM、RDRAM內存支持4種不同的能耗狀態，每塊RDRAM芯片可以獨立激活，獨立設置能耗狀態。內存標準化組織于2009年發布了低電壓內存標準，并且支持高級電源管理，允許按需改變內存內部存儲池的工作狀態，為DPM內存能耗控制提供了很好的基礎。

常見的內存的能耗節能方法包括：

a) 基于refresh的能耗管理：內存保持數據時需要進行刷新(refresh)，如何在保持數據的同時減少刷新量以節省能量，旨在減少刷新行的次數以降低能耗，主要有2種方式：對于高刷新頻率的數據采用最小行刷新；對于長刷新周期的行盡量延長刷新周期以節省能量。

b) 利用低能耗模式進行能耗節省：在合理利用內存低能耗狀態方法時，內存與磁盤控制策略能應用相類似的能耗控制策略。當前內存動態能耗過程允許對內存能耗進行多狀態管理，內存由多組件合成，組件的不同狀態組合令內存有了不同的工作狀態與能耗特征。例如，在讀寫狀態，內存中所有組件處于活躍狀態而提供服務，能耗最高，而控制內存全部或者部分組件處于休眠狀態產生各種能耗狀態。

5)I/O能耗節能。I/O系統的能耗主要由時鐘網絡能耗和存儲單元能耗組成，其節能方法也主要分為時鐘網絡能耗節能和存儲單元能耗節能兩部分。

(1) 時鐘網絡能耗在實際程序運行過程中通常占芯片總能耗的40%以上。時鐘網絡能耗節能的常見方法包括：門控時鐘策略、實時時鐘策略、動態時鐘管理策略。

(2) 存儲單元能耗包括I/Ocache能耗和內部數據通信的能耗，目前cache體系結構級的能耗控制方法有：cache劃分、可變容cache、位線隔離(bitlineisolation)、低能耗cache技術。其中低能耗技術又分為：分階cache(phasedcache)、路預測cache(way-predictingcache)、部分地址比較技術、標簽忽略技術(tag-skipping)、標簽壓縮技術。

6) 其他能耗節能。除了上述硬件層的節能器件外，嵌入式系統中還包括一些其他能耗器件。雖然所占能耗總量不大，但也存在節能的控制手段。其他能耗節能主要包括：總線能耗節能、硬件電路能耗節能、傳感器能耗節能等方面。

2.3節能評價指標

2.1節和2.2節的指標體系已經初步勾勒出了節能能力的作用范圍，但具體效果如何，卻沒有直觀的表現。因此，在上述基礎上，本文提出了平均節能率和能耗性能比2個指標來具體衡量節能效果。

2.3.1平均節能率

定義1平均節能率是指嵌入式系統在使用節能方法后與未使用之前在單位時間內能耗降低的比例。

為了有效衡量系統不同部件的節能效率，提出平均節能率的概念。平均節能率可以直觀地反映出系統在使用節能方法后能耗減少的比例。平均節能率的計算方法如公式2所示。

其中，Rsave為平均節能率，Eold為未采用節能方法前的平均能耗，Enew為采用節能方法后的平均能耗。

2.3.2能耗性能比

定義2能耗性能比是指系統當前平均能耗與當前平均性能之間的比值。

定義3性能損失率是指嵌入式系統在使用節能方法后與未使用之前在單位時間內性能降低的比例。

系統在降低能耗的同時，對性能也可能造成一定的影響，因此提出能耗性能比來衡量系統在使用節能手段后，性能損失的大小。能耗性能比的計算方法如公式3所示。

(3)

其中，EP為能耗性能比，取值范圍為(0,∞)；Rsave為平均節能率，Rloss為性能損失率。其中，Rsave的計算方法公式(3)已經給出，Rloss的計算方法如公式(4)所示。

(4)

其中，Pold為未采用節能方法前的平均性能表現，Pnew為采用節能方法后的平均性能表現。Pold和Pnew的計算方法根據不同的設備應有不同的區別，如當計算CPU的能耗性能比時，可以采用MIPs或FLOPs作為其值，當計算存儲器的能耗性能比時，可以采用存取速度作為其值，當然性能評價的標準可以根據具體需求進行調整。當EP的范圍為(0,1)時，即系統性能損失高于能耗降低比例，這通常不是用戶希望的結果，因此節能效果可以認為很差，且越接近0時，效果越差；當EP=1時，即系統性能損失等于能耗降低比例，即性能隨著能耗等比例降低了，但該情況說明節能方法也幾乎未能起到太大的作用；當EP的范圍為(1,∞)時，即系統的性能損失小于能耗降低比例，可以認為節能方法起到了一定的作用。

3Roofline模型

3.1坐標系的建立

在完成了上述指標體系的評價后，就可以通過Roofline模型對系統節能能力進行分析了。首先根據數據勾畫出Roofline的模型圖，具體步驟如下：

1) 建立直角坐標系。X軸表示能耗性能比EP，單位為kW·h/GFLOP/s；Y軸表示浮點運算性能P，單位為GFLOP/s。需要注意的是，能耗和性能的真實值都無法直接獲得，需通過近似運算來獲得理論值。假定系統每小時的電量消耗(kW·h)近似等同于系統能耗，系統的浮點運算能力(GFLOPs)近似等同于系統性能。

2) 繪出峰值浮點性能。沿平行于X軸的方向根據實際數值繪一條直線，它表示嵌入式系統能達到的峰值浮點運算性能。很明顯，系統運行過程中真實的浮點運算速度不可能高于該值。

3) 以系統的能耗值為斜率繪制一條與X/Y軸成一定交角的直線，表示峰值能耗(kW·h)。由于X軸的單位為每千瓦時浮點運算次數(Kw/GFLOP)，Y軸單位為每秒浮點運算次數，因此，峰值能耗實際上就是與X/Y軸成一定交角的直線。此直線表示在某一能耗性能比下的系統最大的能耗開銷。

由以上描述可以得到CP的計算方法：

(5)

CP表示系統實際可達性能，TPpeak表示峰值浮點運算性能，TEpeak表示峰值系統能耗。公式(5)表明，計算機實際可達到的性能既要低于峰值浮點運算性能，同時也要低于峰值系統能耗與能耗性能比的乘積。Roofline模型圖的橫縱坐標都采用了對數坐標，因為這樣能夠將更大范圍的實驗結果顯示在一張結果圖中。斜線與水平線構成一個“屋頂”的形狀，在屋頂下方的空間為系統所能達到的浮點運算性能。對于每個能影響能耗性能比的節能方法而言，都能夠在X軸上找到對應的一點，如果過該點做一條平行于Y軸的線與“屋頂”相交形成一個線段，那么，該計算機對應于此能耗性能比所對應的節能方法所能取得的系統性能一定可以表示為這條線段上的某一點，如圖5所示。圖5中，斜線與水平線的交點稱為“脊點”，表示計算機在使用某種節能方法后同時達到了系統能耗峰值與系統性能峰值。脊點提供了一個計算機整體性能的判斷標準，脊點的橫坐標標明了為達到最高系統性能所需要的能耗性能比。如果該點很靠右，說明只有那些能耗性能比很大的節能方法才能達到此計算機浮點運算的峰值性能；如果此點很靠左，說明幾乎所有的節能方法都能很輕易地達到最高浮點運算性能。以上為原始的Roofline模型的繪制說明，該模型采用了束縛和瓶頸(boundandbottleneck)分析法，能僅在一張分析圖上提供所有有用的信息。

圖5　Roofline Model圖繪制示例

3.2模型的分析

對于計算機性能與能耗的瓶頸問題，可以通過以下幾種常見的方法來改善：

1) 系統增加DPM管理方法，允許動態將系統暫時不用的設備切換到睡眠模式或切斷其電源，以降低系統能耗，當需要使用這些設備時，再重新激活，起到動態的管理電源的作用；

2) 系統增加DVS管理方法，允許系統在任務執行時，動態地改變處理器的頻率和電壓，以此來節約系統的能耗；

3) 系統增加AVS管理方法，允許系統在任務執行時，根據性能需求自動調整供給系統處理器的電壓，使處理器運行在能確保應用軟件正確運行的最低電壓和頻率下，以此來降低系統的能耗；

4) 系統增加節能調度算法，允許系統為確定一系列任務的執行順序采取一定的調度策略，使系統更加節能的執行系統任務。

為了給予觀察者一些關于優化措施及優化效果的引導，可以在原始Roofline模型結果圖中繪制多個“屋頂”。可以認為每一種優化措施對應著一個性能屋頂線，如果沒有采取相應的節能優化措施，系統便不能突破此峰值性能。

如圖6將系統能耗“屋頂線”與系統性能“屋頂線”結合生成新的Roofline模型。圖中節能優化措

圖6　改善方法使用后的Roofline模型

施按實現容易程度進行排序，處在下方的優化方法比處在上方的更容易實現。雖然沒有注明，但上方的優化方法實際上已經包含了下方的內容。圖6中，系統能耗的“屋頂線”與系統性能“屋頂線”相交形成新的“屋頂線”，表明采用特定的節能優化方法之后得到的新的Roofline模型圖，該圖可以為后期的系統性能優化方法選擇提供指導作用。

4結論

嵌入式系統節能能力是系統智能控制的表現方式之一。本文通過對嵌入式系統節能方法和手段進行歸納總結，形成了較完備的性能評價指標體系，并提出了平均節能率和能耗性能比兩個核心指標來綜合衡量系統的節能水平，最后通過Roofline模型對系統節能能力進行了綜合分析，找出系統中不同方法的能力范圍和系統瓶頸所在，從而可以有效地幫助系統設計人員提高系統的能耗利用率，減少不必要的開銷。

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收稿日期：2015-09-22基金項目：航空科學基金(20150753010)、陜西省科技攻關項目(2015GY035)、西安市科技計劃項目(CXY151019)及民機專項(MJZ-2015-D-76)資助

作者簡介：羅殊彥(1984—)，西北工業大學博士研究生，主要從事計算機性能評價及人工智能等研究。

中圖分類號：TP302

文獻標志碼：A

文章編號:1000-2758(2016)03-0536-08

TheResearchofEnergy-SavingCapabilityMeasurementModelinEmbeddedSystem

LuoShuyan,ZhuYi′an,WangWeichao

(SchoolofComputerScience,NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi′an710072,China)

Abstract:With the continuous development of embedded technology, the energy consumption problem becomes more and more prominent. There are a lot of measurement methods of system energy-saving level at home and abroad. Some researchers measure the energy-saving level from DMP, DVS, etc. but they did not support a unified criterion; Some researchers evaluated the energy-saving method from the perspective of different hardware devices, but they did not quantify the indexes. In this paper, aimed at single measure objects of system energy saving ability and many indicators unquantifiable issues, both the operating system level and hardware level are considered to construct the energy-saving capability embedded system measurement model (ESCMM). The model gives a measure of uniform standards of energy-saving capability from a complete embedded system perspective. In addition, in this paper, the Roofline model is improved, and the energy saving capacity analysis method based on the Roofline model is put forward, which is verified by an example and at the same time the bottleneck of the system energy consumption effectively is find out.

Keywords:embedded system, self-evolution capability, measurement model, ESCMM, roofline model, energy balance, energy conservation, energy efficiency, energy management, energy utilization, power control, power quality