源碼級(jí)和算法級(jí)的功耗測(cè)試與優(yōu)化

引言

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，軟件功耗問題顯得越來越重要，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)

不存在沒有體系結(jié)構(gòu)的軟件。通常考慮軟件體系結(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。總之，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)硬件來說，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的，這就說明編譯過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。基本操作有：加、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)，StrongAR

從表1可知，對(duì)于相同數(shù)據(jù)類型，加、減、乘、除和取余操作的功耗一樣，與、或、非操作的功耗一樣，而移位功耗最低。對(duì)于不同數(shù)據(jù)類型來說，32位數(shù)比16位數(shù)的操作功耗低，16位數(shù)比8位數(shù)的操作功耗低。32位浮點(diǎn)數(shù)與32位整形數(shù)的操作功耗一樣。在所有數(shù)據(jù)類型中64位浮點(diǎn)數(shù)的操作功耗最高。

測(cè)試環(huán)境的處理器StrongARM110為32位處理器，對(duì)8位數(shù)和16位數(shù)的處理要考慮字節(jié)對(duì)齊問題，而對(duì)32位就不用考慮該問題。

②對(duì)函數(shù)、內(nèi)聯(lián)函數(shù)和宏定義的功耗進(jìn)行測(cè)試。如表2所列，內(nèi)聯(lián)函數(shù)和宏定義的功耗比一般函數(shù)的功耗低，CPU周期數(shù)及指令數(shù)也小。



③對(duì)相同功能不同實(shí)現(xiàn)語(yǔ)句的功耗進(jìn)行測(cè)試。主要針對(duì)循環(huán)語(yǔ)句、選擇語(yǔ)句(二元和多元)、乘法、移位、除法、移位進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表3所列。


從表3可知，同樣實(shí)現(xiàn)循環(huán)功能，for循環(huán)的功耗比while、goto的要大，goto語(yǔ)句的功耗明顯最低；二元選擇運(yùn)算中三目運(yùn)算比if語(yǔ)句的功耗低，但是只能在單條賦值語(yǔ)句中使用三目運(yùn)算，在復(fù)雜的多條語(yǔ)句的情況下，兩者功耗一樣；多元選擇運(yùn)算中，switch語(yǔ)句比if…elseif…語(yǔ)句功耗低；寄存器變量的操作比自動(dòng)變量的操作功耗低近50％，因?yàn)樘幚砥鲝募拇嫫骼镏苯幼x取變量省去了反復(fù)從內(nèi)存讀取變量的過程，從而達(dá)到降低功耗的目的。

2.2算法級(jí)功耗測(cè)試

算法級(jí)功耗測(cè)試是比源碼級(jí)功耗測(cè)試更高一層次的測(cè)試，不同的算法針對(duì)同一問題的考慮方面不同，如可靠性、易用性、時(shí)間復(fù)雜度、空間復(fù)雜度、功耗等。以往對(duì)軟件算法的研究著重在性能上面，本文把功耗作為主要考慮對(duì)象，研究算法對(duì)功耗的影響。為了便于討論，本文提出一具體問題，針對(duì)該問題提出5種不同的算法，然后分析這些算法對(duì)軟件功耗的影響。

問題描述：對(duì)于1字節(jié)的變量v，求其二進(jìn)制表示中1的個(gè)數(shù)。

算法1：用除法和取余實(shí)現(xiàn)。對(duì)于二進(jìn)制操作，除以2，原來的數(shù)將會(huì)減少1個(gè)0，如果在除的過程中有余，就表示當(dāng)前位置為1。

算法2：使用與&(即移位>>)操作。&操作，把8位數(shù)字v與00000001進(jìn)行與操作，如果結(jié)果為1，表示當(dāng)前8位的最后1位為1，否則為0，然后再將v右移1位，循環(huán)進(jìn)行。

算法3：使用與＆操作，僅考慮v中1的個(gè)數(shù)。

算法4：使用分支操作，直接把0～255的情況都羅列出來，使用switch…case…，即可得到答案。

算法5：使用查表法，將0～255中1的個(gè)數(shù)直接存儲(chǔ)在數(shù)組Array中，v作為數(shù)組的下標(biāo)，則Array[v]就是v中1的個(gè)數(shù)。

測(cè)試結(jié)果如表4所列。


其中，M是v中1的個(gè)數(shù)，log2v為v的位數(shù)。

由表4可知，算法1～5的執(zhí)行效率越來越高，算法5的查表法比算法1節(jié)省80％的功耗，其CPU周期數(shù)也相應(yīng)減少，但是它們的指令數(shù)卻有所增加，所以算法5的查表法是以空間換取時(shí)間和功耗的算法。在內(nèi)存充分大的嵌入式系統(tǒng)中，為盡量降低功耗，算法5是很好的選擇。

3 μC／OS-II的源碼級(jí)功耗優(yōu)化

μC／OS-II是一種可移植、可固化、可裁減及可剝奪型的多任務(wù)實(shí)時(shí)內(nèi)核(RTOS)，適用于各種微處理器和微控制器。所有代碼用ANSI C語(yǔ)言編寫，具有良好的可移植性。對(duì)μC／OS-II的源碼級(jí)功耗優(yōu)化分以下幾步實(shí)行：

①對(duì)計(jì)數(shù)器數(shù)據(jù)類型的改進(jìn)。由表1可知，32位數(shù)據(jù)類型的加1操作比8位數(shù)據(jù)類型的加1操作能耗低27nJ，將μC／OS-II中常用數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)類型改為INT32U，如任務(wù)控制塊OS_TCB中的prio、OSTCBDly、OSTCBX、OSTCBY、OSTCBBitX、OSTCBBitY等。

②對(duì)循環(huán)控制語(yǔ)句的改進(jìn)。由表3可知，while、goto循環(huán)語(yǔ)句的功耗比f(wàn)or循環(huán)語(yǔ)句的功耗低。將μC／OS-II中for循環(huán)句換成while循環(huán)語(yǔ)句，經(jīng)查看μC／OS-II的源碼，發(fā)現(xiàn)μC／OS-II在設(shè)計(jì)時(shí)已考慮到該問題，多數(shù)循環(huán)使用while實(shí)現(xiàn)。在此只對(duì)OSInit()函數(shù)改進(jìn)，同時(shí)μC／OS-II中固定的任務(wù)(如OS_TaskIdle、OS_TaskStat中的控制)改為goto語(yǔ)句，減少應(yīng)用程序的功耗。

③對(duì)內(nèi)聯(lián)函數(shù)和宏的使用。對(duì)簡(jiǎn)短的常用函數(shù)加上inline關(guān)鍵字，或用宏來實(shí)現(xiàn)，內(nèi)聯(lián)函數(shù)和宏的使用使軟件功耗降低。讀RAM比讀Flash功耗更大。處理器進(jìn)入子程序時(shí)，會(huì)首先將當(dāng)前處理器的寄存器推入堆棧(RAM)，在離開時(shí)又將處理器的寄存器彈出堆棧，這樣至少兩次對(duì)RAM操作。而宏在編譯時(shí)展開，處理器順序執(zhí)行指令，避免了調(diào)用子程序，同時(shí)減少了系統(tǒng)的功耗。μC／OS-II中常用的短函數(shù)改為內(nèi)聯(lián)函數(shù)，如每個(gè)時(shí)鐘都要執(zhí)行的OSTimeTick()和開關(guān)中斷等，同時(shí)μC／OS-II中采用條件編譯，也會(huì)在一定程度上降低功耗。

④對(duì)變量存儲(chǔ)類型的優(yōu)化。對(duì)于大部分嵌入式系統(tǒng)來說，為了提高運(yùn)行速度，通常寄存器做得很大，如ARM系列處理器有31個(gè)通用寄存器。有時(shí)許多寄存器空著沒使用，可以將程序中常用的常量或變量直接置于寄存器中，而不是置于內(nèi)存的靜態(tài)存儲(chǔ)區(qū)或動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)區(qū)中。這樣做不僅提高了軟件運(yùn)行速度，而且也節(jié)省能量消耗。由表3可知，使用寄存器變量能省近50％的功耗，μC／OS-II中每個(gè)時(shí)鐘周期都要使用的計(jì)數(shù)變量OSTime，將其用關(guān)鍵字register聲明即可。還有循環(huán)控制語(yǔ)句的計(jì)數(shù)變量，將其聲明為寄存器變量，降耗效果明顯。

⑤算法級(jí)的改進(jìn)。從算法級(jí)功耗的算法5可以看出，將一些運(yùn)算的結(jié)果預(yù)先算好，放在Flash中，用查表的方法替代實(shí)時(shí)的計(jì)算，減少微控制器的運(yùn)算工作量，可以有效地降低微控制器的功耗；不可避免的實(shí)時(shí)計(jì)算，達(dá)到精度就結(jié)束，避免“過度”計(jì)算；在精度允許的情況下，使用簡(jiǎn)單函數(shù)代替復(fù)雜函數(shù)作近似，也可以減少功耗。μC／OS-II中的任務(wù)調(diào)度和事件管理模塊都采用查找就緒表的方式來提高性能和降低功耗。為此，針對(duì)μC／OS-II的內(nèi)存管理機(jī)制采用查表算法，借用任務(wù)管理中的就緒表實(shí)現(xiàn)內(nèi)存塊的分配，這樣不但不會(huì)增加額外的空間需求，而且使內(nèi)存管理的功耗更低。

對(duì)μC／OS-II的部分功能函數(shù)進(jìn)行源碼級(jí)功耗優(yōu)化，其優(yōu)化前后的結(jié)果如圖1所示。圖中，縱軸表示能耗(nJ)，橫軸表示改進(jìn)前后的功能函數(shù)。



結(jié)語(yǔ)

功耗較大的軟件，使用了較多功耗大的操作指令或是使用了不必要的指令。本文的創(chuàng)新之處在于，對(duì)軟件功耗優(yōu)化中的源碼級(jí)和算法級(jí)的功耗優(yōu)化進(jìn)行分析，對(duì)用不同語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)相同功能的情況進(jìn)行分類討論，測(cè)試其功耗特征，最后將功耗測(cè)試與分析結(jié)果運(yùn)用到嵌入式操作系統(tǒng)μC／OS-II中，對(duì)其進(jìn)行源碼級(jí)的功耗優(yōu)化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，源碼級(jí)的功耗優(yōu)化能明顯降低軟件的功耗。