嵌入式系统低功耗软件技术探析

毕伟

（广西大学机械工程学院，广西 南宁530004）



嵌入式系统低功耗软件技术探析

毕伟

（广西大学机械工程学院，广西 南宁530004）

摘要：随着嵌入式系统在计算机信息化控制技术中的广泛应用，如何更好提高嵌入式技术质量，为计算机技术发展提供支持就成为我们技术研究的主要内容。以嵌入式系统低功耗软件技术发展为核心，利用复杂网络环境技术为嵌入式系统技术水平的提高开展技术研究。

关键词：嵌入式系统；低功耗；软件技术；复杂网络

嵌入式系统，即完全嵌入受控器件内部，为特定应用而设计的专用计算机系统，其应用研究成为计算机系统技术研究的重要内容。在嵌入式系统技术研究中，技术人员发现，嵌入式系统的采用可以提高计算机运行效率，对于计算机环保性能、运行速度等多方面有着正面因素影响，因此嵌入式系统低功耗技术在计算机系统研究中得到了广泛采用。为了确实发挥嵌入式系统作用，计算机技术人员以新型低功耗技术为基础开展了此次研究工作。

1　研究的意义［1］

1.1研究的意义

在计算机技术研究中，嵌入式系统低功耗技术研究的开展具有三个重要的作用：

一是，减少了电子污染与对能源的消耗；二是，提高硬件系统技术发展；

三是，提高移动系统使用时间与技术性能。

所以这一研究的开展，既可以保证绿色信息技术的发展，同时又为计算机技术提供了新的发展空间。

1.2功耗的来源

计算机系统功耗的产生是由于硬件系统中出现发热现象，由于系统散热较差进而就会出现功耗提高的现象。另外软件系统运行较慢造成的系统资源浪费，也会造成功耗的提升主要原因。

1.3面临的问题

低功耗技术面临的主要问题如下：一是，采用高散热、导电性能材料降低系统功耗；二是，采用更好地计算机硬件技术与软件模型降低嵌入式系统功耗。

本文在研究中主要针对技术性手段降低系统功耗开展研究。

2　嵌入式功耗优化技术介绍

2.1嵌入式系统简介

嵌入式系统技术核心在于将控制系统完全嵌入受控器件内部，为特定应用而设计的专用计算机系统。其主要是由一个或几个预先编程好以用来执行少数几项任务的微处理器或者单片机组成。

2.2嵌入式功耗优化技术介绍

2.2.1硬件功耗模型

系统硬件功耗是系统硬件运行中，产生的主要功耗。其功耗产生主要集中在微处理器运行功耗中。在技术研究体系内其功耗模型为：

P=Pcore+Pio

式中：

P为微处理器功耗；Pcore为处理器内核功耗；Pio为系统外部接口控制器功耗。两者相加极为系统的硬件功耗数据。

Pcore的功耗控制中应降低微处理器的时钟频率减少功耗。Pio功耗降低在于降低各控制器运行功耗与总线位数变窄。

2.2.2软件级功耗模型

系统软件功耗为软件系统运行中产生的功耗内容。由于嵌入式软件系统的作用，就是降低软件功耗，所以其是此次研究的重点，其功耗模型为：

E0=P0×T0=f（C0）×T0

E0为软件功耗；

P0为软件平均功率数据；

T0为软件运行的总时间；

C0为软件或硬件功耗度量。模型中的P0与C0存在函数关系。

2.2.3编译优化

在嵌入式系统运行过程中，利用编译优化技术降低系统功耗是也是当前较为常用的功耗降低技术。其主要编译技术包括了以下几点：

一是，传统的乘法操作因其运行时间较长，造成其耗能较大。而采用了移位操作与加法操作模式，降低系统操作造成的功耗如图1所示。

图1　编码方式替代图例

二是，减少操作中的冗余代码。在cache运行中，冗余代码的减少对于极大的降低其运行功耗。

三是，优化I/O运行程序。利用技术手段压缩I/O数据减少数据在接口运行次数是降低系统功耗的主要手段。

3　基于复杂网络的优化模型

复杂网络是嵌入式系统的主要特点，只有证明了软件系统为复杂网络，系统优化才能继续进行。在优化模型的建立过程中，技术人员需要证明嵌入式系统具有复杂网络特点。

（1）证明嵌入结构图是复杂网络。技术人员首先在软件系统中提取出DFG图，开展复杂网络证明。其证明过程就是将DFG图进行简化，得到系统的软件模型图进行分析。简化过程包括了确定系统中的各实体、确定实体中连接关系以及连接实体三个主要过程。在软件模型图完成后，我们对其图形进行分析。如果其图形符合复杂网络中的网络小世界模型特点，即可证明此系统为复杂网络。

（2）算法中用到的复杂网络性质。在证明了系统为复杂网络环境后，技术人员需要对模型对DFG图进行计算，实现功耗优化的目的。

3.1平均路径长度模型

系统平均路径长度的计算是首先需要使用的系统模型，其作用是测量系统平均路径长度，在其基础上优化管理路径。其系统模型［2］。

L=uijN（N-1）/2

其中：

L为网络中的平均路径长度；N为网络中的平均节点数。

3.2聚类系数模型

聚类系数主要表现的是复杂网络中网络间的关系，其作用是用于表示复杂网络各节点关系，用于优化管理进行。聚类即以节点i为核心将Ki条边进行连接［2］。

Ci=Ei/Ki（Ki-1）

其中：

Ci为节点i的聚类系数。

3.3度和度分布模型

度作为复杂网络中单独节点的重要概念，其主要系数为Ki、平均节点度＜k＞以及分布函数P＜k＞三个组成部分。其应用可以表现出复杂网络中的量化数值［2］。

4　基于复杂网络的优化算法及实验测试

复杂网络优化算法的应用在实际计算中需要经过以下过程［3］：

（1）提取DFG图。首先需要利用程序，自动生成系统的DFG图进行提取。如图2所示。

图2　简单的DFG图例

在算法1应用中，每次循环中都进行DFG图的提取。而算法2只需要提取一次DFG图计算即可。

（2）自动生成测试用例。在提取DFG图后，技术人员可以利用人工或随机方式，在需要优化的程序中自动生成测试用例，用以完成优化过程。

（3）功耗优化算法及评估。系统功耗优化算法包括了算法1与算法2.算法1包括10个步骤，其对计算每个循环变化都进行分析与优化。算法2包括8个步骤，其只对系统中一次循环中变化问题进行分析优化。两种算法的区别除了步骤繁简外，主要区别在于在第6个步骤是否使用寄存器进行处理，使用寄存器过程即为算法2，而不使用寄存器则为算法1.如图3所示。

图3　算法2DFG示例图

（4）功耗优化算法及评估。在技术研究中发现，算法1因进行了多次分析优化，所以其优化质量优于算法2.但是由于其步骤较多，造成了其优化过程较之算法2更加复杂工作量更大。

5　结束语

嵌入式系统的使用，对降低计算机系统功耗发挥着重要作用。特别是在复杂网络技术环境下的低功耗技术优化的应用，对于信息化技术发展有着技术促进作用。这一技术领域的发展，对计算机系统技术以及移动性信息系统的发展会起到有效推动。

参考文献：

［1］刘伟伟.嵌入式系统低功耗技术的研究和应用［D］.中国电力教育，2012.

［2］迟宗正.基于复杂网络的嵌入式软件功耗优化研究［D］.大连理工大学，2009.

［3］宋彦，郭兵，沈艳.嵌入式系统低功耗的软件实现方案［J］.单片机与嵌入式系统应用，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

中图分类号：TP302

文献标识码：A

文章编号：1672-545X（2016）03-0093-02

收稿日期：2015-12-24

作者简介：毕伟（1995-），男，山东菏泽人，本科，广西大学机械电子工程专业。