源碼級(jí)和算法級(jí)的功耗測(cè)試與優(yōu)化
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軟件設(shè)計(jì)中，代碼優(yōu)化是一件非常有意義的事情。優(yōu)化的本質(zhì)是對(duì)代碼進(jìn)行等價(jià)變換，使變換前后的代碼運(yùn)行結(jié)果相同，但變換后的代碼比變換前的代碼具有更多優(yōu)越性能。傳統(tǒng)的觀點(diǎn)要求變換后的代碼運(yùn)行速度較快或占用較少運(yùn)行資源，或二者兼?zhèn)洹ｋS著嵌人式系統(tǒng)的快速發(fā)展，軟件功耗問(wèn)題顯得越來(lái)越重要，應(yīng)該將“省電”作為軟件優(yōu)化的一項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，這樣對(duì)軟件優(yōu)化的評(píng)價(jià)體系才算完整。值得注意的是，大多數(shù)情況下性能和功耗并不矛盾，減少程序執(zhí)行時(shí)間同樣會(huì)使程序功耗減少。
在功耗優(yōu)化這個(gè)問(wèn)題上，研究者普遍比較關(guān)注硬件功耗優(yōu)化，應(yīng)用各種技術(shù)想方設(shè)法改進(jìn)硬件的功耗，比如在芯片制造工藝上采用更精細(xì)的納米技術(shù)，不斷降低芯片驅(qū)動(dòng)電壓，不斷改變片內(nèi)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等。事實(shí)上，整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行管理是由軟件體現(xiàn)的。在硬件基礎(chǔ)一定的情況下，只有將軟件系統(tǒng)對(duì)能量的損耗降至最小，才能使整個(gè)系統(tǒng)工作于最佳狀態(tài)。面向功耗的軟件優(yōu)化方法是當(dāng)前嵌入式系統(tǒng)低功耗研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。掌握軟件運(yùn)行時(shí)的能量消耗特征、準(zhǔn)確獲取能量消耗數(shù)據(jù)信息，是面向低功耗的軟件優(yōu)化研究的前提。經(jīng)過(guò)多年的努力，許多學(xué)者也提出了關(guān)于如何減少軟件功耗的方法。研究表明，軟件優(yōu)化對(duì)降低功耗會(huì)有數(shù)量級(jí)的貢獻(xiàn)。針對(duì)同一任務(wù)，所選擇的算法不同或采用不同的實(shí)現(xiàn)方式，不僅性能有差別，能耗也大不一樣。因此在進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，除了代碼的規(guī)模和執(zhí)行性能之外，功耗也是一個(gè)需要認(rèn)真考慮的問(wèn)題。
1軟件功耗優(yōu)化方法
常用的軟件功耗優(yōu)化方法大致可分為以下4類：
(1)軟件體系結(jié)構(gòu)級(jí)
不存在沒(méi)有體系結(jié)構(gòu)的軟件。通?？紤]軟件體系結(jié)構(gòu)都是注重軟件的可修改性、可重用性和可靠性等問(wèn)題，軟件體系結(jié)構(gòu)的好壞直接關(guān)系到軟件性能的好壞。而且前，關(guān)于軟件體系結(jié)構(gòu)對(duì)軟件功耗影響這方面的研究較少，用不同軟件體系結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)出的軟件功耗會(huì)有差異，怎樣選擇合適的軟件體系結(jié)構(gòu)使軟件功耗最小化，將成為軟件低功耗優(yōu)化的重要研究方向。
(2)源程序級(jí)
C語(yǔ)言的源程序級(jí)功耗優(yōu)化指的是實(shí)現(xiàn)同一功能的不同語(yǔ)句間的選擇。比如，同樣實(shí)現(xiàn)循環(huán)功能，有多種選擇(for、while、goto等)。這些語(yǔ)句的功耗會(huì)有差異，為了實(shí)現(xiàn)低功耗的軟件，應(yīng)采用功耗最低的語(yǔ)句來(lái)完成相同的功能。這就需要對(duì)所有語(yǔ)句的功耗進(jìn)行測(cè)試與研究。同時(shí)，對(duì)C語(yǔ)言不同數(shù)據(jù)類型操作的功耗進(jìn)行分析。比如，同樣表示數(shù)目，可以用8位int型、16位int型和32位int型。再者，對(duì)不同變量的存儲(chǔ)類型功耗也要進(jìn)行分析，如寄存器變量、靜態(tài)變量、自動(dòng)變量等?？傊?，在源碼級(jí)對(duì)軟件功耗進(jìn)行優(yōu)化是一個(gè)重要的研究方向。
(3)算法級(jí)
算法是為解決某個(gè)特定問(wèn)題而定義的無(wú)二義性的操作序列，算法復(fù)雜性分析就是對(duì)算法運(yùn)行時(shí)所消耗的計(jì)算機(jī)資源作量化的分析和預(yù)測(cè)。以往，程序設(shè)計(jì)者關(guān)心的資源主要是運(yùn)行時(shí)間和存儲(chǔ)空間。由于能量消耗已成為軟件設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵約束條件，因此本文將能耗作為一項(xiàng)重要資源，對(duì)算法運(yùn)行時(shí)所消耗的能量進(jìn)行分析和比較。
(4)編譯級(jí)
對(duì)于某個(gè)硬件來(lái)說(shuō)，執(zhí)行程序所產(chǎn)生的功耗取決于它的機(jī)器代碼，而機(jī)器代碼是從源代碼編譯而來(lái)的，這就說(shuō)明編譯過(guò)程也影響了硬件的功耗。既然編譯器可以很大程度上控制硬件的運(yùn)行軌跡，除了性能這一傳統(tǒng)的優(yōu)化目標(biāo)之外，編譯器也可以通過(guò)適當(dāng)?shù)恼{(diào)度優(yōu)化，使得硬件執(zhí)行某一個(gè)程序時(shí)的功耗變小。國(guó)際上對(duì)于低功耗編譯的歷史并不長(zhǎng)，是從20世紀(jì)90年代初才開(kāi)始研究的，這方面的文章最早出現(xiàn)于文獻(xiàn)[4-5]，Tiwari等人在這些文章中提出了對(duì)軟件進(jìn)行功耗分析的一些基本概念，建立了基本的指令級(jí)功耗模型，以486DX為例初步探討了低功耗編譯技術(shù)。
本文主要從源程序級(jí)和算法級(jí)這兩個(gè)方面對(duì)軟件功耗特征進(jìn)行測(cè)試與分析，并根據(jù)分析結(jié)果對(duì)μC／OS-II進(jìn)行源碼級(jí)的功耗優(yōu)化。
2源碼級(jí)和算法級(jí)的功耗測(cè)試
測(cè)試環(huán)境是T．K．Tan等人研發(fā)的EMSIM，它是一個(gè)基于指令級(jí)的嵌入式軟件功耗模擬器，其主要的功耗估算思想是累計(jì)函數(shù)中所有單條指令的功耗作為該函數(shù)的總功耗。嵌入式硬件平臺(tái)是ARM公司的StrongARM110。EMSIM測(cè)試功耗的單位為函數(shù)，即它只能測(cè)試某個(gè)函數(shù)的功耗。在本文的測(cè)試中，將要測(cè)試的語(yǔ)句放入函數(shù)中，測(cè)得整個(gè)函數(shù)的功耗，記為E1，然后測(cè)試同樣參數(shù)及返回值的空語(yǔ)句函數(shù)的功耗，記為E2，最后計(jì)算得到語(yǔ)句的功耗為：E=E1-E2。
2.1源碼級(jí)的功耗測(cè)試
本小節(jié)對(duì)C語(yǔ)言的源碼級(jí)功耗進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試過(guò)程分為以下幾步：
①對(duì)每種數(shù)據(jù)類型的不同操作的功耗進(jìn)行測(cè)試。要測(cè)試8位整型、16位整型、32位整型以及32位浮點(diǎn)型和64位浮點(diǎn)型的基本操作功耗?；静僮饔校杭?、減、乘、除、取余、賦值、移位、與、或、非。此處測(cè)試的結(jié)果與處理器的位數(shù)有關(guān)，StrongARM110為32位精簡(jiǎn)指令集系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上測(cè)試的結(jié)果如表1所列。
評(píng)論