利用数字功率表对计算机软件功耗的测量与分析

刘广文

（安徽省合肥市第八中学，合肥230071）

利用数字功率表对计算机软件功耗的测量与分析

刘广文

（安徽省合肥市第八中学，合肥230071）

程序运行能耗分析是计算机节能技术的研究热点。本文利用数字功率表，对笔记本电脑上不同软件运行的功耗进行实时测量，包括电脑启动、硬盘读写、外围输入/输出设备访问、网上冲浪、软件压缩、多媒体播放和办公软件运行等，并对测量数据进行对比分析，以提醒人们增强节能环保意识。

计算机；软件；功耗；测量；节能

目前，计算机系统的能耗占到全部电力消耗的12%［1］，美国研究机构Gartner对用户电脑能耗进行计算后形象指出：我们每Google一次，耗能相当于烧开半壶水。IT作为耗电的“主力军”已在呼唤节能和环保［2-3］。绿色计算(green computing)是本着对环境负责的原则使用计算机及相关资源的行为，即充分利用计算机先进的软件和硬件技术，提高计算机运算效率，减低其工作负载，减少计算机系统的数量，进一步降低系统配套电源能耗［4］。

在计算机的传输耗能与运行能耗中，PC所占比例最高。降低计算机系统的能耗主要有［5-6］：第一，硬件技术。第二，软件技术。第三，使用习惯和规矩。程序运行能耗分析是绿色计算、高效能计算的研究热点。本文将利用功率表，实测一些常用软件运行的实时功耗，并对测试数据进行分析，以具体数据唤起人们增强计算机使用的节能环保意识。

1　测试设备与测试条件

表1　笔记本电脑主要配置参数Tab.1 Laptops main configuration parameters

测试电脑采用联想E680A和联想K29两台笔记本电脑，其主要配置参数如表1所示。测试功率表是以ADE 7169电能计量芯片为核心组成的数字功率表（如图1所示），其精度为0.5级。此外，还必须对功率表的输入/输出端口进行改装，即其输入端口与笔记本的稳压电源（约19V）连接，其输出端口与笔记本的电源插孔连接，功率表与电脑的连接如图2所示。测试时功率表数据采集间隔为2s。

测试运行的软件除预装的正版Windows操作系统外，还准备正版的MSOffice2003，MS MediaPlayer10.0，暴风影音播放器5，IE10与相关的Office和多媒体文档。在进行软件功耗测量时要求：第一，将笔记本电脑的电源智能管理功能关闭，或者设为高性能模式，避免CPU频率自动调整对功耗的影响。第二，在测量过程中保持显示器亮度不变：E680A的亮度设置为7/9，K29亮度设置为8/15。第三，卸掉笔记本的电池，直接由稳压电源供电，避免电池充电对功耗影响。第四，在笔记本工作一段时间（5min）后，再进行测量，避免笔记本启动后，散热风扇未启动或已启动产生的误差。

图1　数字功率表Fig.1 The digital power meter

图2　电脑与功率表的连接Fig.2 Connection for laptop with digital power meter

2　软件运行实时功耗测量与分析

2.1同一电脑运行不同软件的功耗对比

完成电脑与功率表的连接，启动电脑K29，当功率表读数稳定后，启动IE10浏览器(Ver11.0)，快速打开www.sohu.com，www.sina.com，www.163.com，先后用Windows自带的MediaPlayer和暴风影音5播放同一音乐，将音量调整到最大。分次测试并记录功耗，完成一项测试后重启电脑直到功率表读数稳定后再进行下一项测试。绘制的功耗曲线如图3所示。

图3　K29运行不同软件时的功耗Fig.3 Power of K29 running different software

从图3可见，三种程序在打开至最终稳定时都会产生功率的上升，其中MediaPlayer使电脑功耗上升最大为5.5W，而IE浏览器和暴风影音5软件使电脑功耗上升不大，均约为1W。其次，在刚刚打开程序时，IE浏览器使电脑产生一个功耗的峰值，并在瞬间达到约32W，随后很快回落到20W之内，而另外两款软件的这个效果相对不明显，这种功耗峰值的产生可能与程序打开时的准备过程有关。

图4为K29读取不同外设时的功耗曲线。可见，设备接入电脑都有一个功耗上升的过程，其中移动硬盘上升最快，光驱次之，U盘最小。在向U盘和移动硬盘写入文件过程中，再次出现功耗上升，而在光驱播放电影时，功耗也有明显上升。

图5为K29进行压缩和解压缩文件时的功耗曲线。压缩过程，功耗增加明显，约为42W，增加82.6%，同时观察到CPU占用率上升达到约90%，可见，CPU占用率是功耗大的主因。而在解压过程中，功耗也增加较大，约为31W，同时观察到CPU占用率约为30%。从图中还可看出，解压过程时间较短，在第15个采样点就完成解压，而压缩过程在第25个采样点尚未完成，因此压缩过程功耗累计更大。

图4　K29读取不同外设时的功耗Fig.4 Power of K29 reading the various peripherals

图5　K29压缩和解压文件时功耗Fig.5 Power of K29 compressing and decompressing files

2.2两台电脑进行相同操作的功耗对比

图6为两台电脑启动过程的功耗曲线。图7为两台电脑运行Office2003软件的功耗曲线。K29和E680A在启动过程中，功耗出现较大起伏，一般都高于稳定时的功耗。K29的稳定功耗约为10W，E680A的稳定功耗约为22W，可见采用新技术的笔记本功耗更小。

图6　电脑启动和稳定后的功耗Fig.6 Power of laptops starting up

图7　打开office文档的功耗Fig.7 Power of opening office files

从图7可见，在打开Word文档时，出现了一个功耗小峰值，然后功耗回落，再打开PPT文档时，出现了另一个较大功耗峰值，功耗回落稳定后与未打开前有少许增加。文档在打开时产生了功耗峰值，而峰值的大小与文档大小，包含的图片大小有关，文档越大，含图越多，功耗峰值越大。

3　结论

本文利用数字功率表，对笔记本电脑上不同软件运行的功耗进行实时测量。电脑软件操作引起的功耗，实质上是软件操作触发了硬件的处理，并由硬件直接产生了功耗。对本文测试数据的分析可得出如下结论：

第一，软件运行首先需要加载到内存中，这会涉及CPU的指令运行、内存读写和硬盘读写操作，所以启动时都会有一个功耗峰值。

第二，热插拔设备（主要是USB设备），电脑会安装驱动，为设备分配资源，所以会产生一个功耗峰值。因此，为低功耗，可在电脑的电源管理软件中采用输入/输出设备（I/O）门控技术。

第三，对于置入后台的软件（如打开一个Office文档），只在打开文档时产生一个功耗峰值，随后功耗与之前稳定值相差不大，因此，对于这种后台软件不必要立即关闭，但对于打开的网页，尤其是有较多插件的网页，当置于后台时，仍有较大功耗产生，不看时应该尽量关闭。

［1］刘晓.浅析我国计算机能耗对电力消费的影响［J］.中外企业家，2012，（10）：127-128．

［2］过敏意.绿色计算：内涵及趋势［J］.计算机工程，2010，（10）：1-7.

［3］刘伟荣.计算机电源管理模式与计算机节能及数据安全新研究［J］.科技信息，2011，（10）：239．

［4］郭兵，沈艳，邵子立.绿色计算的重定义与若干探讨［J］.计算机学报，2009，（12）：2311-2319．

［5］赵霞，郭耀，陈向群.软件能耗优化技术研究进展［J］.计算机研究与发展，2011，（12）：2308-2316．

［6］李敬华，贾蓓.高效能软件开发设计刍议［J］.电信快报，2011，（06）：11-13.

Analysis and Measure of Power Consumption of Computer Running Software by Using Digital Power Meter

LIUGuang-wen
(No.8 Senior High School,Hefei 230071,China)

Program running energy consumption analysis is a research hotspot of computer energy saving technology.The power consumption of different software running on the laptop are measured in real time and analyzed by using the digital power meter and the software,including computer start,hard disk read and writes,peripheral access,surfing the Internet,software compress,multimedia play and office software etc.The purpose ofthis paper is toremind people toenhance awareness ofenergy saving.

Computer;Software;Power consumption;Measurement;Energysaving

TP272

A

1674-8646（2015）09-0050-02

2015-05-28

刘广文（1997-），男，汉族，安徽合肥人。