嵌入式系统中软件优化的低功耗研究

引言 　　从20世纪70年代世界上第一个为嵌入式应用而设计的微处理器intel 4004诞生以来，嵌入式系统已经发展了30多年。近几年，嵌入式系统（embedded system）已经成为电子信息产业中最具增长力的一个分支。随着手机、pda、gps、机顶盒等新兴产品的大量应用，嵌入式系统的市场正在以每年30%的速度递增，嵌入式系统的设计也成为软硬件工程师越来越关心的话题。 　　嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础，并且软硬件可裁减，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等有严格要求的专用计算机系统[1]。在嵌入式系统的设计中，低功耗设计（low-power design）是必须面对的问题。其原因在于嵌入式系统被广泛应用于便携式和移动性较强的产品中，而这些产品不是一直都有充足的电源供应，往往靠电池来供电，所以应从每一个细节来考虑降低功率消耗，尽可能地延长电池的使用时间。事实上，从全局来考虑低功耗设计已经成为了一个越来越迫切的问题。 　　低功耗是便携式电子设备必须具备的一个关键特性。过去 几年的研究主要针对硬件部分，而现在人们则更注重通过优化软件部分来降低系统功耗。要想对软件进行优化，必须了解每条指令所产生的功耗，并选择正确的编译方法，以降低程序执行的功耗。由于各种微处理器架构不同，指令集和功耗也不一样。因此，适用于某一处理器的优化方式并不一定适用于其他处理器。这样，选择与可降低功耗的软件相匹配的微处理器便十分重要。 1 编译优化 　　编译器的作用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。换句话说，编译器为高级语言程序员提供了一个抽象层，使得程序员能够通过编写与实际问题相近的高级语言代码（而不用汇编或者机器语言），方便地解决实际问题；同时，也使得程序的可读性和可维护性得到保证，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。 　　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。编译器的有效性以及它所生成的代码效率，可以与专家级的汇编/机器语言程序员所编写的代码相比较得出，因此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。 　　这里作两点假设：① 每一条指令都有一个固定量的功率；② 每条指令的散热与它的操作数及其他指令无关。从图1可以看到，通过对指令的重新排序，可以把一段程序的初始功率状况，如图1(a)所示，转换成图1(b)所示的那样。可以得出这样的结论：尽管两种情况中局部区域的散热状况不一样，但是它们所消耗的总电能是一致的。换句话说，可以在不影响总耗电的情况下，对程序的局部散热情况作出某些调整，以符合实际的需要。下面通过将指令进行重新排序来实现系统功耗的降低[2]。
图1程序内局部区域功率的两种可能性 2 指令排序 　　我们知道，运行某一特定程序的处理器的功率p＝i×vdd（i为平均电流，vdd为给定的电压），则程序的功耗e＝p×t（t为程序的执行时间）；同时，t＝n×t（t为指令周期），即为主频的倒数，n为程序执行的周期数）。在嵌入式系统，尤其是在移动设备中，一般都通过电池供电，故系统的功耗是一个非常重要的指标。现在，vdd和t都是已知量，因此程序消耗的电能e与电流i和程序周期数n的乘积成正比。这里通过引用参考文献[3]中所建立的模型来进行阐述。该模型中通过示波器等设备，测量并估计执行每条指令所需要的电流i[4]。综上所述，可以利用嵌入式处理器中的多数据存储区域的特性，实现数据的并行处理，通过对指令的排序，减少指令的执行周期，从而达到降低功耗的目的。2.1 举例 　　假设有一段c语言程序，如图2（a）所示。图2（b）是其相应的汇编代码，图2（c）表示每个结点带有两个权值的数据依赖图（data dependence graph，ddg）。第一个权值表示结点在ddg中的深度，如v10的第一个权值为1，v0的第一个权值为6。假设这个权值越大，表示其优先级越高，如图2（c）中v0和v1具有最高的优先级。