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嵌入式

——关于软件节能技术的思考

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指导老师：陈文武

摘要:由于科技的发展和社会的进步，低能耗受到特别的关注,人们对嵌入式系统的节能要求越来越高。嵌入式系统的节能优化可以在硬件和软件的多个层次进行。随着微电子技术的不断发展，各种底层先进硬件功耗优化的出现和应用，仅依靠硬件技术,实现节能的潜力正在逐渐减小。使用软件技术优化系统能量正得到更多的关注。在此整理了嵌入式应用软件的节能原理以及相应的节能方法、和对未来发展的展望。

引言：在目前国家提倡“节能减排”的背景下,如何降低嵌入式系统的功耗节能成为一个日益引起人们关注的热点问题，已受到业内软硬件开发商和政府的高度重视。嵌入式软件本身并不会产生功耗，功耗只是软件执行时的“副产品”，软件的指令执行和数据存取等操作驱动了底层硬件的电路活动，间接导致了系统功耗的产生。随着嵌入式系统的广泛应用,嵌入式系统的功能部件越来越多。处理器功能的增强和存储器容量的增大,为把应用软件从操作系统中独立出来提供了条件。软件复杂化必然带来功耗的扩大化,从电路设计角度来看,传统的硬件低功耗技术虽降低了局部器件的功耗,但无法顾及系统运行特征,且降低功耗的范围和程度有限。操作系统作为整个系统的资源管理者,能够根据工作负载和硬件资源电源状态,在满足系统性能约束条件下作出电源管理决策和控制,降低系统能耗。应用软件则可以结合实际的硬件特征和操作系统平台的特性,从设计、编译、运行等方面进行优化,减少执行指令数目,降低执行时间,从而达到降低功耗的目的。

一、应用软件节能

系统的运行过程,就是计算机硬件执行各具体的应用程序指令的过程。低功耗软件设计的基本思想是:根据功能部件的物理特征,让它们在需要的时候才处于工作状态,其他时候处于各部分的省电状态,关键在于如何降低CPU要完成任务而必须执行的指令条数。

1.1编译优化

对于实现同样的功能,不同的软件算法消耗的时间不同;不同的指令,其功耗特性是不同的。编译器具有能够分析整个应用程序行为的能力,它可以对应用程序的整体按照给定的优化目标进行重新构造。对于某个嵌入式硬件来说，执行程序所产生的功耗取决于它的机器代码，而机器代码是从源代码编译而来的，这就说明编译过程也影响了硬件的功耗。既然编译器可以很大程度上\o控制控制硬件的运行轨迹，除了性能这一传统的优化目标之外，编译器也可以通过适当的调度优化，使得硬件执行某一个程序时的功耗变小。

编译器是将由高级语言编写的程序，如C/C++等，翻译成能够在目标机上执行的程序。也就是说，编译器为高级语言程序设计者提供了一个方便的编译工具，通过它使得程序员能够通过编写能够很好地描述实际问题的高级语言代码(而不用抽象难懂的汇编或者机器语言)，方便地解决实际问题。从而，使得程序的可读性和可维护性得到保证，大大提高软件开发的效率。另外，将程序移植到新的目标机，也只要用相应的编译器对程序进行重新编译，而不必重新编写程序，提高了程序的可移植性。

但是某些情况下，这样的做法是以牺牲程序的执行性能为代价的。编译器往往在把高级程序转化成机器码时对源程序进行了一定的变换和处理，这种处理往往能够给系统带来很多不必要的功率消耗。因此，有的时候可以通过对编译器的优化，生成效率更高的代码。

通过优化编译器可以有效地降低嵌入式设备的功耗。在一个程序中，每一条指令都将激活微处理器中的某些硬件部件，因此，正确选择指令可降低处理器的功耗。通过建立特定处理器架构下指令集的功耗信息，利用“减少跳转的指令重排序”等方法，可以进行有效的软件低功率优化。

编译器都有调度优化的功能。所谓调度优化就是指在保持程序语义和遵守目标机器资源限制的情况下，使得目标函数代价达到极值。传统的编译器，它的调度优化目标是性能及效率，即使得程序的执行时间最短。而对于低功耗调度而言，它的调度优化是多目标的，通常是性能和功耗一起考虑，即在满足一定的性能约束的情况下，使得程序运行的功耗最小。值得注意的是，大多数情况下，性能和功耗并不是矛盾的，减少程序执行时间，同样会起到减少程序功耗的目的。

编译优化包括很多种方法，其中包括指令变换、指令重排、循环结构优化、存储器和Cache分配等等。下面我们仅就指令排序方面对编译优化进行简单的介绍。

我们已经学过，嵌入式系统在运行某一特定程序的微处理器是的功率消耗为P=I×V。其中，I为平均电流，V为给定的电压。则程序的功率消耗为W=P×t，t为系统运行时间。另外，t=N×T，T为指令周期，即主频的倒数，N为程序执行的周期数。在一些嵌入式系统中，尤其是一些移动设备中，一般都通过电池供电，因而系统的功率消耗是一个必须考虑的重要因素。如果V和T都是已知量，故系统消耗的电能E与