基于体系结构级的嵌入式软件能耗模型及性能研究

第一章绪论

1.1研究背景和意义

现代科学技术促使人们的生活水平越来越趋向于电子化。虽然为人们提供了舒适便捷的生活，但也增加了全球能源的消耗。目前还处于增长形势口]。由于全球能耗还在持续增长，因此排放出更多的二氧化碳，为全球变暖提供了有利的条件。当人们的生活受到自然环境的影响时，为了使影响达到最小化，世界各国对二氧化碳排放量实行了控制和降低。人们也渐渐开始选择低碳生活，且低能耗的设计同时在各行各业中展开了广泛而深入的研究与实践[4]。在工业领域中，随着计算机工业的发展和生活质量的提高，嵌入式实时系统深入应用到车载交通、智能家居、现代军事、航空技术等众多方面，如今人们的生活己经离不开嵌入式系统，因此嵌入式系统运行中工作处理能力也慢慢在不断完善提升，在不断提升的技术水平下，使得嵌入式系统完成模块任务的能力也提升了。由于目前电池容量无法保证嵌入式实时系统的稳定高效的运行，所人们在设计电池的时候提高了电池规格。因此在全球倡导绿色计算的环境中，研究分析嵌入式系统的实时低能耗，提出一种低能耗高效率的嵌入式系统能耗分析方法，这成为了当今嵌入式系统能耗研究的热点。低能耗的设计是指在不影响系统运行的前提下，将系统运行时的能耗降到最低是。一个完整的嵌入式系统包括物理硬件系统和对应操作的软件系统，在硬件能耗方面，学者们已取得较为成熟稳重的节能方法，但在软件能揉方面，软件对于能耗的影响逐渐成为重要因素，因此人们开始对软件能耗进行重点研究。计算机操作系统产生能耗的基本原因是系统运行时，电脑CPU、Cached及I/O设备等产生的能量消耗，在嵌入式系统运行过程，只有相对应的软件运行带动硬件工作的时候，硬件才会产生能耗。软件是一种看不见摸不着的产品，除去所有软件所依赖的环境后，软件不会运行导致软件的无消耗，只有当软件在操作系统中，通过软件内部的每一条指令代码驱动对应的硬件模块进行任务工作，从而由硬件模块产生系统能耗。综上所述，计算机系统的能耗是由硬件系统所直接决定，而软件系统则是驱动硬件系统产生能耗的主要原因[6]。

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1.2国内外研究现状综述

近几年来，由于嵌入式系统的飞速发展及其广泛应用，低能耗的嵌入式系统设计?己成为当前重点研究的方向。软件能耗最早的研究来源于Ti以ari等人，他首先对软件的能量消耗给出明确定义，他分析的基于指令级的软件能耗模型为高层次能耗研究提供了最基本的数据。有代表行的研充成果包括;Tan在文献[8]中分析软件运行时体现出来的特征，使用一种宏观的研充技术，得到计算机软件能耗的模型方法。该方法是通过系统工作时，观察电脑CPU的能耗变化，表述出该系统的能耗函数关系，然后再深入分析这种函数关系提出完整系统的宏观能耗模型，进而对系统软件能耗进行测量。Senn等人在文献[9]中针对具体的体系结构建模语吾AADLthe?architecture?analysis?anddesign?language研究了基于AADL模型的嵌入式系统的能耗评估精化方法。Lee等人在文献中对实时系统里资源限制的过程做了大量研究，研究得出一套形式化的体系构架;onstantaos等人在嵌入式系统中进行了大量实验证明，并分析计算机CPU对嵌入式软件的能耗影响，实验证明了在底层能耗研究中，数据内存的读写访问是产生底层能耗的基本原因[11]。adayif等人将底层的编译器和系统软件运行的能耗值进行关联，并将软件高层中的系统能耗值和能耗模型当成系统能耗的输入，通过研究软件源码行数、软件属性与软件能耗的关系，优化了软件的源代码，大大提升了运行效率，减少了系统软件能耗。人们对于能耗的研充大多数停留在软件指令级和算法级[15-16]上，对于最顶层软件体系结构级的研究才刚刚起步，因此基于体系结构的系统能耗研究己成为人们重点的研究对象。

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第二章嵌入式系统概述及软件能耗分析方法

2.1嵌入式系统概述

二十世纪六十年代，嵌入式系统诞生。因为那时嵌入式系统的制作成本高，且当时的嵌入式系统不具备较好的计算功能和性能，所以嵌入式系统发展得到了阻碍。二十世纪韦十年代，美国国家王程制造商协会发布了一项标准，对汁算机的可编程CPU作出了统一的定义。随着技术不断地进步，计算机CPU的工作效率提高、生产成本的降低，运就加快了?CPU取缔性价比不高的电器元件。到上世纪八十年代中期，系统硬件由改进的微处理器组成，现代微控制技术就从那时开始萌芽。到上个世纪末期，电子设备的组件几乎都由微处理器取代。当前，将各种输入/输出设备、中央处理器、寄存器等多功能整合在一起的高集成微控制器，与嵌入式系统相互联合起来，加快了人类社会生活进入智能电子化的时代。嵌入式系统通常分为许多微型子系统，其中将这些微型系统作为一个子系统嵌入到一个完整的大型系统中，形成一种具有特定功能系统。嵌入式系统依据具体规定的任务或者用户需求来设计，因此拥有多变性。设计者可以通过用户与众不同的需求对嵌入式硬件与软件进行单独设计，达到系统设计、软件效率和执行能力等多方面的需求。对比嵌入式系统与普通的计算机系统，普通的计算机系统设计用户可以进行资源共享，并往追求高速度、高带宽、高存储等方面发展，为以后高速发展的科技生活提供坚实基础。然而嵌入式实时系统则需更加要求系统能在规定的时间内处理完成规定的任务，不然计算机可能将给用户造成无法预测的严重后果。

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2.2嵌入式系统软件能耗分析方法

随着软件不断进步，软件己变得多样化和大众化，因此软件能耗已经逐渐发展为系统能耗的重点研究方向。二十世纪九十年代，国外许多学者就开始进行软件能耗的研究，发展到今天，软件能巧研究领域己有了很多成熟稳重的分析方法，并发展成了一套有效的定理依据。这些定理不仅帮助开发人员实现低能耗软件的开发，也能使开发人员在软件开发后作为能耗准则，对软件性能方面等进行软件测试。下面分别介绍软件中每一个层次的主要研究方法。嵌入式系统软件可以分为H层：指令级、算法级和软件体系结构级。其中指令级是最底层的，因此基于指令级别的软件能耗优化方法也是最底层的研究方法。上一章节中，Ti以ari等人面向单条指令提出指令级软件能耗分析和优化模型基于这个软件能耗模型得出的基础能耗数据和基本理论依据，指出了人们在指令级甚至算法级、体系结构级的能耗分析道路，Ti以ari在后面的软件能耗研究中又首先提出软件能耗优化技术不仅只是停留在指令级上，还应该往编译器或者更高的软件算法程序代码等级别分析优化能耗。随着Ti以ari的指令级软件能耗模型的提出，该模型受到了国内外很多学者的广泛关注，通过对该模型的研究，并对模型进行改进和完善。

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第三章嵌入式系统应用软件能耗研究..........15

3.1计算机软件系统.........15?

3.2?Petri网的定义与发展.........20

3.3嵌入式系统应用软件能耗研究路线.........22

3.4软件能耗的特征值.........24

3.5本章小结.........26

第四章基于能耗Petri网的嵌入式软件能耗模型.........27

4.1嵌入式系统能耗函数.........27

4.2基于Petri网的能耗模型.........27

4.3嵌入式系统软件的体系结构能耗模型.........29

4.4嵌入式系统软件的体系结构能耗模型实验分析.........36

4.5本章小结.........42

第五章基于体系结构级能耗的软件交互行为模型.........43

5.1软件属性.........43

5.2基于体系结构级能耗的软件质量属性度量方法.........43

5.3嵌入式系统软件交互行为的建模.........44

5.4本章小结.........46

第五章基于体系结构级能耗的软件交互行为模型

5.1软件属性

随着用户日益増加的性能需求，软件开发设计、后期维护等过程也逐步变得繁琐，同时，由于软件依附计算机环境能力强，因此软件性能评估变得尤为重要。在嵌入式系统中，软件系统的开发设计得到严重的限制，而软件能源作为重点的设计对象，软件的能耗对软件的众多性能都有重要影响。因此，如何在有限能量下确保软件高性能运行。开发人员在设计软件各项性能的同时应该和软件能耗结合在一起，软件主要属性有：(1)可靠性：可靠性是软件性能中是最为重要的一项，高可靠性的软件能够定时高效率地处理系统任务。软件如果能在约束的时间内处理完系统特定的任务，需要系统提供相对应的软件能耗;(2)实时性：嵌入式系统软件的实时性是指软件必须严格满足时间约束，实时性与软件能耗有着最为直接的联系。(3)性能：嵌入式系统软件的性能是当软件处理完系统实时要求的工作后展示出来的软件及时持点，软件性能体现出系统软件完成任务后的最大能耗值。(4)安全性：软件的安全性是在确保软件安全工作下不会出现故障，其与系统其他软件相关联，并产生在确保系统安全工作下的系统能耗。上述分析了嵌入式系统软件属性与能耗之间的关系后，就可以得出基于软件能耗模型的属性度量方法，并进行嵌入式系统软件交互行为的建模方法。

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结论

随着现代科学技术水平的不断快速进步，人们的生活水平越来越趋向于电子化。虽然为人们提供了舒适便捷的生活，但也増加了全球能源的消耗。由于全球能耗还在持续增长，因此排放出更多的二氧化碳，为全球变暖提供了有利的条件。当人们的生活受到自然环境的影响时，为了使影响达到最小化，世界各国对二氧化碳排放量实行了控制和降低。人们也渐渐开始选择低碳生活，且低能耗的设计同时在各巧各业中展开了广泛而深入的研究与实践。本论文最主要的任务首先就是建立一个能耗Petri网，根据能耗Petri网，对嵌入式系统软件体系结构级中的构件模块、构件通信模块和硬件模块建立能耗模型，然后还建立了构件接口的能耗模型，通过上述建立的模型分析出软件的最少能耗路径、最大能耗路径及平均能耗路径，最后通巧能耗模描述了软件质量属性的度量和交互行为的建模方法。具体所做的工作如下：

1.设计一个能耗Petri网，在普通的Petri网中加入模块么间转换过程中能量和时间的变化现实。

2.分析嵌入式系统软件能耗持征，并基于能耗时间Petri网，研究设计软件体系结构中构件模块、构件通信模块和硬件模块的能館模型，并通过每个模型之间的通信关系建立Petri网图形，然后在图中寻求能耗最少路径、能耗最大路径及能耗平均路径。

3.研究能耗模型对软件质量属性的影响，通过能耗描述软件质量属性的度量和交互行为的建模方法。

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参考文献（略）