嵌入式系統(tǒng)中軟件優(yōu)化的低功耗研究

引言

　　從20世紀(jì)70年代世界上第一個(gè)為嵌入式應(yīng)用而設(shè)計(jì)的微處理器Intel 4004誕生以來(lái)，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展了30多年。近幾年，嵌入式系統(tǒng)（embedded system）已經(jīng)成為電子信息產(chǎn)業(yè)中最具增長(zhǎng)力的一個(gè)分支。隨著手機(jī)、PDA、GPS、機(jī)頂盒等新興產(chǎn)品的大量應(yīng)用，嵌入式系統(tǒng)的市場(chǎng)正在以每年30%的速度遞增，嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也成為軟硬件工程師越來(lái)越關(guān)心的話題。

　　嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，并且軟硬件可裁減，適用于應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗等有嚴(yán)格要求的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)[1]。在嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，低功耗設(shè)計(jì)（Low-Power Design）是必須面對(duì)的問(wèn)題。其原因在于嵌入式系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于便攜式和移動(dòng)性較強(qiáng)的產(chǎn)品中，而這些產(chǎn)品不是一直都有充足的電源供應(yīng)，往往靠電池來(lái)供電，所以應(yīng)從每一個(gè)細(xì)節(jié)來(lái)考慮降低功率消耗，盡可能地延長(zhǎng)電池的使用時(shí)間。事實(shí)上，從全局來(lái)考慮低功耗設(shè)計(jì)已經(jīng)成為了一個(gè)越來(lái)越迫切的問(wèn)題。

　　低功耗是便攜式電子設(shè)備必須具備的一個(gè)關(guān)鍵特性。過(guò)去幾年的研究主要針對(duì)硬件部分，而現(xiàn)在人們則更注重通過(guò)優(yōu)化軟件部分來(lái)降低系統(tǒng)功耗。要想對(duì)軟件進(jìn)行優(yōu)化，必須了解每條指令所產(chǎn)生的功耗，并選擇正確的編譯方法，以降低程序執(zhí)行的功耗。由于各種微處理器架構(gòu)不同，指令集和功耗也不一樣。因此，適用于某一處理器的優(yōu)化方式并不一定適用于其他處理器。這樣，選擇與可降低功耗的軟件相匹配的微處理器便十分重要。

1 編譯優(yōu)化

　　編譯器的作用是將由高級(jí)語(yǔ)言編寫(xiě)的程序，如C/C++等，翻譯成能夠在目標(biāo)機(jī)上執(zhí)行的程序。換句話說(shuō)，編譯器為高級(jí)語(yǔ)言程序員提供了一個(gè)抽象層，使得程序員能夠通過(guò)編寫(xiě)與實(shí)際問(wèn)題相近的高級(jí)語(yǔ)言代碼（而不用匯編或者機(jī)器語(yǔ)言），方便地解決實(shí)際問(wèn)題；同時(shí)，也使得程序的可讀性和可維護(hù)性得到保證，提高軟件開(kāi)發(fā)的效率。另外，將程序移植到新的目標(biāo)機(jī)，也只要用相應(yīng)的編譯器對(duì)程序進(jìn)行重新編譯，而不必重新編寫(xiě)程序。

　　但是某些情況下，這樣的做法是以犧牲程序的執(zhí)行性能為代價(jià)的。編譯器的有效性以及它所生成的代碼效率，可以與專(zhuān)家級(jí)的匯編/機(jī)器語(yǔ)言程序員所編寫(xiě)的代碼相比較得出，因此可以通過(guò)對(duì)編譯器的優(yōu)化，生成效率更高的代碼。

　　通過(guò)優(yōu)化編譯器可以有效地降低嵌入式設(shè)備的功耗。在一個(gè)程序中，每一條指令都將激活微處理器中的某些硬件部件，因此，正確選擇指令可降低處理器的功耗。通過(guò)建立特定處理器架構(gòu)下指令集的功耗信息，利用“減少跳轉(zhuǎn)的指令重排序”等方法，可以進(jìn)行有效的軟件低功率優(yōu)化。

　　這里作兩點(diǎn)假設(shè)：① 每一條指令都有一個(gè)固定量的功率；② 每條指令的散熱與它的操作數(shù)及其他指令無(wú)關(guān)。從圖1可以看到，通過(guò)對(duì)指令的重新排序，可以把一段程序的初始功率狀況，如圖1(a)所示，轉(zhuǎn)換成圖1(b)所示的那樣?？梢缘贸鲞@樣的結(jié)論：盡管兩種情況中局部區(qū)域的散熱狀況不一樣，但是它們所消耗的總電能是一致的。換句話說(shuō)，可以在不影響總耗電的情況下，對(duì)程序的局部散熱情況作出某些調(diào)整，以符合實(shí)際的需要。下面通過(guò)將指令進(jìn)行重新排序來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功耗的降低[2]。

圖1程序內(nèi)局部區(qū)域功率的兩種可能性

2 指令排序

　　我們知道，運(yùn)行某一特定程序的處理器的功率P＝I×Vdd（I為平均電流，Vdd為給定的電壓），則程序的功耗E＝P×t（t為程序的執(zhí)行時(shí)間）；同時(shí)，t＝N×T（T為指令周期），即為主頻的倒數(shù)，N為程序執(zhí)行的周期數(shù)）。在嵌入式系統(tǒng)，尤其是在移動(dòng)設(shè)備中，一般都通過(guò)電池供電，故系統(tǒng)的功耗是一個(gè)非常重要的指標(biāo)?，F(xiàn)在，Vdd和T都是已知量，因此程序消耗的電能E與電流I和程序周期數(shù)N的乘積成正比。這里通過(guò)引用參考文獻(xiàn)[3]中所建立的模型來(lái)進(jìn)行闡述。該模型中通過(guò)示波器等設(shè)備，測(cè)量并估計(jì)執(zhí)行每條指令所需要的電流I[4]。綜上所述，可以利用嵌入式處理器中的多數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)域的特性，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的并行處理，通過(guò)對(duì)指令的排序，減少指令的執(zhí)行周期，從而達(dá)到降低功耗的目的。

2.1 舉例

　　假設(shè)有一段C語(yǔ)言程序，如圖2（a）所示。圖2（b）是其相應(yīng)的匯編代碼，圖2（c）表示每個(gè)結(jié)點(diǎn)帶有兩個(gè)權(quán)值的數(shù)據(jù)依賴圖（Data Dependence Graph，DDG）。第一個(gè)權(quán)值表示結(jié)點(diǎn)在DDG中的深度，如V10的第一個(gè)權(quán)值為1，V0的第一個(gè)權(quán)值為6。假設(shè)這個(gè)權(quán)值越大，表示其優(yōu)先級(jí)越高，如圖2（c）中V0和V1具有最高的優(yōu)先級(jí)。

圖2C語(yǔ)言代碼、匯編代碼與數(shù)據(jù)依賴圖

　　圖3為未使用文中的算法前指令的執(zhí)行順序。注意，圖中的黑體字，即V2、V6以及V9，與其他指令不同。它們是ADD或者M(jìn)PY指令，需要用到系統(tǒng)的ALU部件。在同一指令周期中，可以同時(shí)執(zhí)行ALU運(yùn)算以及MOVE操作，但是不可以同時(shí)執(zhí)行兩個(gè)ALU操作。

圖3指令排序前結(jié)點(diǎn)的執(zhí)行順序

　　節(jié)點(diǎn)的第二個(gè)權(quán)值，表示相關(guān)寄存器的生命周期。如圖4所示，V0所依賴的寄存器是r0，它的生命周期為1到3，即為2。從圖中可以得出以下結(jié)論：此段程序總共需要11個(gè)指令周期和最少同時(shí)使用2個(gè)寄存器。

圖4指令排序前的狀況

　　圖5為基于本文的算法，將指令重新排序后的情況。程序總的執(zhí)行周期變?yōu)?，但是所占用的寄存器個(gè)數(shù)增加到3。由此也可以看到，程序的執(zhí)行周期與寄存器的個(gè)數(shù)之間也是一個(gè)折衷權(quán)衡的結(jié)果。

圖5基于排序算法后的情況

　　文中借用了參考文獻(xiàn)[3]中所建立的模型，用以計(jì)算程序的耗電量。在圖5中，程序執(zhí)行時(shí)所需要的總電流I=780 mA，總的執(zhí)行周期數(shù)為N=6，因此消耗電路E=N×I=6×780 mA=4 680 mA。不使用任何算法的情況，即圖2所示，E=N×I=1 080×11=11 880 mA。通過(guò)使用文中的算法，將程序執(zhí)行周期減少了，同時(shí)程序的功耗也降低了。也就是說(shuō)，通過(guò)使用文中的算法，程序的執(zhí)行性能得到提高，系統(tǒng)的功耗也最大程度地得到了優(yōu)化。由此可見(jiàn)，在這一層面上，采用何種算法是非常重要的。

2.2 算法描述

　　文中的算法是基于文獻(xiàn)[5]中提出的以串列為基礎(chǔ)的排序機(jī)制，主要是以減少程序的執(zhí)行周期為目的，同時(shí)考慮到使用盡量少的寄存器。程序的描述如下：
　?、?構(gòu)造數(shù)據(jù)依賴圖DDG。
　　② 構(gòu)造帶權(quán)的元組，其中第一個(gè)權(quán)值為結(jié)點(diǎn)在DDG中的深度，設(shè)為P；第二個(gè)權(quán)值為生命周期，設(shè)為L(zhǎng)。
　　③ 查找就緒表R（如圖3所示）。
　?、?while就緒表R不為空 do

　　P值為最高結(jié)點(diǎn)所具有的最高優(yōu)先級(jí)
if當(dāng)前指令周期中的結(jié)點(diǎn)的深度　　if存在幾個(gè)結(jié)點(diǎn)
　　　　if結(jié)點(diǎn)具有相同的優(yōu)先級(jí)
　　　　　　if結(jié)點(diǎn)具有相同的生命周期
　　　　　　　　則在DDG中處于相同子樹(shù)的結(jié)點(diǎn)具有高優(yōu)先級(jí)，加入到新的排序序列中（使在進(jìn)行ALU操作時(shí)執(zhí)行1至2條MOVE指令成為可能）
　　　　　　else
　　　　　　　　生命周期越小的結(jié)點(diǎn)越具有高優(yōu)先級(jí)，加入到新的排序序列中（用于減少寄存器數(shù)）
　　　　else
　　　　　　　　具有最大深度的結(jié)點(diǎn)具有高優(yōu)先級(jí)，加入到新的排序序列中（用于減少指令周期）　　else直接加入到新的排序序列中
else
　　break

　　在以上的算法中，結(jié)點(diǎn)的深度是最為重要的。它用于控制整個(gè)程序所需的指令周期數(shù)，從而使程序的功耗得到有效的控制。另外，結(jié)點(diǎn)的生命周期也是相當(dāng)重要的，它可以控制程序中所用到的寄存器的個(gè)數(shù)。這在DSP處理器中顯得尤為重要。同時(shí)，該算法也充分利用了處理器的數(shù)據(jù)并行處理能力，為在同一指令周期內(nèi)執(zhí)行不同的操作提供了可能。

3 結(jié)論

　　近年來(lái)，功耗成為嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域的一個(gè)越來(lái)越令人關(guān)注的問(wèn)題。尤其是在移動(dòng)設(shè)備中，由于通過(guò)電池供電，功耗顯得尤為重要。當(dāng)前的編譯器很少能夠充分利用處理器的各種特性，因此編譯生成的代碼不能與那些專(zhuān)家級(jí)匯編程序員寫(xiě)出的代碼相提并論。本文從軟件角度出發(fā)，提出了一個(gè)優(yōu)化編譯器，對(duì)指令進(jìn)行重新排序的算法，通過(guò)優(yōu)化編譯器來(lái)實(shí)現(xiàn)降低系統(tǒng)的功耗。下一步工作則要選擇和研究某種特定的微處理器，然后創(chuàng)建相關(guān)工具，產(chǎn)生這種微處理器的指令集功耗信息，再進(jìn)一步運(yùn)用該算法實(shí)現(xiàn)編譯優(yōu)化，最終實(shí)現(xiàn)功耗的優(yōu)化。

參考文獻(xiàn)

1 Wayne Wolf. 嵌入式計(jì)算系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理. 孫玉芳等譯. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002
2 Sathishkumar Udayanarayanan. Energyefficient code generation for DSP56000 family, MS. Thesis in Arizona State University (Aug. 2000)
3 Gibbons P A, Muchnick S S. Efficient Instruction Scheduling for a Pipelined Processor, in Proc. of the SIGPLAN Symposium on Compiler Construction (July1986), pp. 11-16
4 Ulrich Kremer. Low Power/Energy Compiler Optimizations
5 WenTsong Shiue. Retargetable Compilation for Low Power王力生，碩士生導(dǎo)師。夏志江，碩士：主要研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)及其應(yīng)用。