專利名稱：一種基于arm處理器的嵌入式軟件能耗統(tǒng)計模型的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及嵌入式軟件能耗優(yōu)化技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及建立一種基于ARM處理器 的嵌入式軟件能耗統(tǒng)計模型。
背景技術(shù)：
嵌入式系統(tǒng)由嵌入式硬件和嵌入式軟件組成，是典型的軟件驅(qū)動執(zhí)行的系統(tǒng)。硬 件的電路活動“直接”導(dǎo)致了系統(tǒng)能耗的產(chǎn)生，軟件的指令執(zhí)行和數(shù)據(jù)存取等操作驅(qū)動了底 層硬件的電路活動，“間接”導(dǎo)致了系統(tǒng)能耗的產(chǎn)生，這也是嵌入式軟件能耗的本質(zhì)含義。先 前的許多研究表明，不同的匯編指令、源程序結(jié)構(gòu)、軟件算法和軟件體系結(jié)構(gòu)造成硬件不同 的工作方式，從而進(jìn)一步影響系統(tǒng)能耗。嵌入式系統(tǒng)能耗可分為硬件能耗和軟件能耗，軟件 能耗是指在軟件運行期間，軟件驅(qū)動直接相關(guān)硬件(包括處理器、存儲器和I/O控制器等) 活動產(chǎn)生的能耗總和，其它的系統(tǒng)能耗一般歸為硬件能耗，如處理器在進(jìn)入空閑狀態(tài)前無 軟件指令執(zhí)行的一段間隔期和在空閑狀態(tài)下某些硬件單元保持上電狀態(tài)而產(chǎn)生的能耗以 及I/O控制器無軟件訪問時產(chǎn)生的能耗等。因此，將系統(tǒng)能耗明確劃分為軟件能耗和硬件 能耗，更便于直接觀察軟件實現(xiàn)方式(如數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法)對系統(tǒng)能耗的影響程度。嵌入式軟件能耗的度量是開展嵌入式軟件能耗分析與優(yōu)化的基礎(chǔ)性工作。度量軟件能 耗最直接的方法是使用電子儀器(如功率計)進(jìn)行測量，由于需要將軟件運行在硬件平臺上進(jìn)行 測量，所以在硬件開發(fā)完成之前無法測量軟件能耗，使得軟件開發(fā)和硬件開發(fā)相互牽制。另一種 方法是采用能耗模擬器測量軟件能耗，通過計算機(jī)軟件模擬某一特定嵌入式硬件系統(tǒng)，并采用能 耗統(tǒng)計模型，在軟件運行的同時統(tǒng)計軟件能耗，可靈活、方便地獲得嵌入式軟件的能耗值。國際上對于嵌入式軟件能耗統(tǒng)計模型的研究歷史并不長，1994年Tiwari等人在 文中首先提出了對軟件能耗進(jìn)行分析的基本概念，建立了基本的指令級能耗模型，并提出 了指令電流的測試方法；Sinha測量了基于StrongARM SA-1100處理器的ARM指令集電 流值，提出了軟件能耗的統(tǒng)計方法；T. K. Tan在Sinha測得的指令電流值基礎(chǔ)上，構(gòu)建了 基于 StrongARMSA-IlOO 處理器的指令級能耗模擬器 EMSIM (Embedded StrongARM Energy Simulator)，并采用EMSIM對嵌入式軟件能耗進(jìn)行了分析工作；Li Tao等提出了對操作系 統(tǒng)采用服務(wù)例程級功耗建模的思想，并具體分析了 Embedded Linux操作系統(tǒng)50種服務(wù)例 程的功耗-IPC關(guān)聯(lián)模型；趙霞等通過模擬運行嵌入式操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件，利用微體系結(jié) 構(gòu)能耗模型估算單時鐘周期指令能耗，提出基于軟件功能結(jié)構(gòu)的操作系統(tǒng)內(nèi)核能耗估算模 型。在上述能耗統(tǒng)計模型中，主要統(tǒng)計了軟件執(zhí)行時在處理器上產(chǎn)生的單條指令能耗，不足 之處在于并未計算指令對、存儲器、I/O控制器等能耗。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供了一種基于ARM處理器的嵌入式軟件能耗統(tǒng)計模型。本發(fā)明解決其技術(shù)難題所采用的技術(shù)方案的步驟如下1)根據(jù)嵌入式系統(tǒng)的硬件組成，嵌入式軟件能耗可分為處理器(MPU)能耗、存儲器能耗、I/O控制器能耗(如數(shù)據(jù)總線、UART控制器、IXD控制器、網(wǎng)卡控制器等)和其它硬 件單元產(chǎn)生的能耗，即 其中，Esoftware表示嵌入式軟件能耗，Empu表示處理器能耗，Effleffl表示存儲器能耗，Eio 表示I/O控制器能耗，E。thCT表示嵌入式系統(tǒng)主板上其它硬件單元的能耗，此部分能耗在軟 件執(zhí)行時能耗值一般較小，可忽略不計；2)在步驟1)公式中的Empu按照如下公式進(jìn)行計算 其中，Einste為指令能耗(Instruction Energy Consumption),表示軟件 執(zhí)行時單條二進(jìn)制指令在MPU上產(chǎn)生的能耗，Einte為指令對能耗(或指令間能耗， Inter-Instruction EnergyConsumption)，表示軟件執(zhí)行時相鄰指令間相互影響在MPU上 產(chǎn)生的額外能耗，Ii表示指令i執(zhí)行時MPU平均電流，Ni為執(zhí)行指令i所需的時鐘周期數(shù)， Vmpu為MPU的工作電壓，fmpu為MPU的時鐘頻率，η為軟件的指令總條數(shù)，Δ I^1表示指令i 和前一條指令i_l形成的平均指令對電流；3)在步驟2)公式中Δ I^1按照如下公式進(jìn)行計算Ai,η = Imeas-Iever = Imeas-(Ii X NJIH X NH)/(NJNH)其中，Imeas表示循環(huán)執(zhí)行一對指令時測得的MPU平均電流值，Iever表示一對指令的 電流分權(quán)平均值，Ii和Ih分別是指令i和i-Ι的電流值，Ni和Np1分別是指令i和i_l在 考慮流水線情況下運行所需的MPU時鐘周期數(shù)；4)在步驟1)公式中的Em按照如下公式進(jìn)行計算 其中，Iffleffl表示存儲器在有數(shù)據(jù)訪問時的平均電流值，Vm表示存儲器的工作電壓， fffleffl表示存儲器的時鐘頻率，Nffleffl表示MPU訪問存儲器總的時鐘周期數(shù)；5)在步驟1)公式中的Eitj按照如下公式進(jìn)行計算Eio = Ebus+Euart+Elcd+Enet 其中，Ebus表示總線能耗，表示UART控制器能耗，Eled表示IXD控制器能耗，Enet 表示網(wǎng)卡控制器能耗。本發(fā)明與背景技術(shù)相比，具有的有益效果是1)精確性使用本發(fā)明中基于ARM處理器的嵌入式軟件能耗統(tǒng)計模型建立的軟件 能耗模擬器計算的能耗，與儀器實際測量結(jié)果相比，誤差在10%以內(nèi)。2)實用性可用于快速預(yù)測(或估算)嵌入式軟件在ARM處理器平臺上運行時的 能耗值，為開展相應(yīng)的功耗優(yōu)化研究和開發(fā)工作打下堅實的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
具體實施例方式下面結(jié)合實例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
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1)根據(jù)嵌入式系統(tǒng)的硬件組成，嵌入式軟件能耗可分為處理器(MPU)能耗、存儲 器能耗、I/O控制器能耗(如數(shù)據(jù)總線、UART控制器、IXD控制器、網(wǎng)卡控制器等)和其它硬 件單元產(chǎn)生的能耗，即
「0027 其中，Esoftware表示嵌入式軟件能耗，Empu表示處理器能耗，Effleffl表示存儲器能耗，Eio 表示I/O控制器能耗，E。thCT表示嵌入式系統(tǒng)主板上其它硬件單元的能耗，此部分能耗在軟 件執(zhí)行時能耗值一般較小，可忽略不計；2)在步驟1)公式中的Empu按照如下公式進(jìn)行計算
其中，以當(dāng)前指令STR R0, [R1]，上一條指令MOV Rl，RO為例，Einste為指令能耗 (Instruction Energy Consumption)，表示軟件執(zhí)行時STR指令在MPU上產(chǎn)生的能耗，Einte 為指令對能耗(或指令間能耗，Inter-Instruction Energy Consumption)，表示軟件執(zhí)行 時受上一條指令的執(zhí)行狀態(tài)影響當(dāng)前指令在MPU上執(zhí)行產(chǎn)生的額外能耗，Ii表示STR指令 執(zhí)行時MPU平均電流為43. 55mA, Ni為STR指令執(zhí)行所需的時鐘周期數(shù)為4個，Vmpu為MPU 的工作電壓1. 788V，fmpu為MPU的時鐘頻率80MHz，η為軟件的指令總條數(shù)，Δ Ii, 表示當(dāng) 前STRR0，[R1]指令和前一條指令MOV Rl, RO形成的平均指令對電流2. 568mA ；3)在步驟2)公式中Δ I^1的值按照如下公式進(jìn)行計算Ai, η = Imeas-Iever = Imeas-(Ii X NJIH X NH)/(NJNH)其中，Imeas表示循環(huán)執(zhí)行由MOV Rl, RO和STR R0, [R1]組成的執(zhí)行對測得的MPU 平均電流值44. 51mA, Ii和Ih分別是指令MOV和STR的電流值43. 55mA和41. 54mA, Iever 表示這對指令的電流分權(quán)平均值(43. 55*1+41. 54*4)/(1+4) = 41. 942mA, Ni和Ni^1分別是 指令MOV和STR在考慮流水線情況下運行1個和4個MPU時鐘周期數(shù)；4)在步驟1)公式中的Em按照如下公式進(jìn)行計算 其中，Im表示存儲器在有數(shù)據(jù)訪問時的平均電流值，Vm表示存儲器的工作電壓， fffleffl表示存儲器的時鐘頻率，Nffleffl表示MPU訪問存儲器總的時鐘周期數(shù)；5)在步驟1)公式中的Eitj按照如下公式進(jìn)行計算Eio = Ebus+Euart+Elcd+Enet其中，Ebus表示總線能耗，表示UART控制器能耗，Eled表示IXD控制器能耗，Enet 表示網(wǎng)卡控制器能耗。1/0的能耗按照下面的通用公式進(jìn)行計算
權(quán)利要求
一種基于ARM處理器的嵌入式軟件能耗統(tǒng)計模型，其特征在于建立該模型的步驟如下1)根據(jù)嵌入式系統(tǒng)的硬件組成，嵌入式軟件能耗可分為處理器(MPU)能耗、存儲器能耗、I/O控制器能耗(如數(shù)據(jù)總線、UART控制器、LCD控制器、網(wǎng)卡控制器等)和其它硬件單元產(chǎn)生的能耗，即Esoftware＝Empu+Emem+Eio+Eother其中，Esoftware表示嵌入式軟件能耗，Empu表示處理器能耗，Emem表示存儲器能耗，Eio表示I/O控制器能耗，Eother表示嵌入式系統(tǒng)主板上其它硬件單元的能耗，此部分能耗在軟件執(zhí)行時能耗值一般較小，可忽略不計；2)在步驟1)公式中的Empu按照如下公式進(jìn)行計算 <mrow><msub> <mi>E</mi> <mi>mpu</mi></msub><mo>=</mo><msub> <mi>E</mi> <mi>instr</mi></msub><mo>+</mo><msub> <mi>E</mi> <mi>inter</mi></msub><mo>=</mo><munderover> <mi>Σ</mi> <mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow> <mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mi>n</mi> </mrow></munderover><mfrac> <mrow><msub> <mi>I</mi> <mi>i</mi></msub><mo>×</mo><msub> <mi>N</mi> <mi>i</mi></msub><mo>×</mo><msub> <mi>V</mi> <mi>mpu</mi></msub> </mrow> <msub><mi>f</mi><mi>mpu</mi> </msub></mfrac><mo>+</mo><munderover> <mi>Σ</mi> <mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>2</mn> </mrow> <mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mi>n</mi> </mrow></munderover><mfrac> <mrow><mi>Δ</mi><msub> <mi>I</mi> <mrow><mi>i</mi><mo>,</mo><mi>i</mi><mo>-</mo><mn>1</mn> </mrow></msub><mo>×</mo><msub> <mi>N</mi> <mi>i</mi></msub><mo>×</mo><msub> <mi>V</mi> <mi>mpu</mi></msub> </mrow> <msub><mi>f</mi><mi>mpu</mi> </msub></mfrac> </mrow>其中，Einstr為指令能耗(Instruction Energy Consumption)，表示軟件執(zhí)行時單條二進(jìn)制指令在MPU上產(chǎn)生的能耗，Einter為指令對能耗(或指令間能耗，Inter Instruction EnergyConsumption)，表示軟件執(zhí)行時相鄰指令間相互影響在MPU上產(chǎn)生的額外能耗，Ii表示指令i執(zhí)行時MPU平均電流，Ni為執(zhí)行指令i所需的時鐘周期數(shù)，Vmpu為MPU的工作電壓，fmpu為MPU的時鐘頻率，n為軟件的指令總條數(shù)，ΔIi，i 1表示指令i和前一條指令i 1形成的平均指令對電流；3)在步驟2)公式中ΔIi，i 1按照如下公式進(jìn)行計算Δi，i 1＝Imeas Iever＝Imeas (Ii×Ni+Ii 1×Ni 1)/(Ni+Ni 1)其中，Imeas表示循環(huán)執(zhí)行一對指令時測得的MPU平均電流值，Iever表示一對指令的電流分權(quán)平均值，Ii和Ii 1分別是指令i和i 1的電流值，Ni和Ni 1分別是指令i和i 1在考慮流水線情況下運行所需的MPU時鐘周期數(shù)；4)在步驟1)公式中的Emem按照如下公式進(jìn)行計算 <mrow><msub> <mi>E</mi> <mi>mem</mi></msub><mo>=</mo><mfrac> <mrow><msub> <mi>I</mi> <mi>mem</mi></msub><mo>×</mo><msub> <mi>V</mi> <mi>mem</mi></msub><mo>×</mo><msub> <mi>N</mi> <mi>mem</mi></msub> </mrow> <msub><mi>f</mi><mi>mem</mi> </msub></mfrac> </mrow>其中，Imem表示存儲器在有數(shù)據(jù)訪問時的平均電流值，Vmem表示存儲器的工作電壓，fmem表示存儲器的時鐘頻率，Nmem表示MPU訪問存儲器總的時鐘周期數(shù)；5)在步驟1)公式中的Eio按照如下公式進(jìn)行計算Eio＝Ebus+Euart+Elcd+Enet其中，Ebus表示總線能耗，Euart表示UART控制器能耗，Elcd表示LCD控制器能耗，Enet表示網(wǎng)卡控制器能耗。
全文摘要
本發(fā)明公布了一種基于ARM處理器的嵌入式軟件能耗統(tǒng)計模型。提供了一種新的模型和技術(shù)用于測量軟件功耗，為相應(yīng)的功耗優(yōu)化研究和開發(fā)工作提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。本發(fā)明提出的嵌入式軟件能耗統(tǒng)計模型包括處理器、存儲器和I/O控制器等硬件單元的能耗，并根據(jù)ARM指令集指令周期的規(guī)律設(shè)計了相應(yīng)指令周期數(shù)的計算方案。將本發(fā)明應(yīng)用到高精度指令級嵌入式軟件能耗模擬器HMSim中后，實驗結(jié)果表明，該模型的能耗計算結(jié)果與實際儀器測量結(jié)果的誤差在10％以內(nèi)，可準(zhǔn)確地反映軟件實現(xiàn)方式對系統(tǒng)能耗的影響程度。
文檔編號G06F11/36GK101894067SQ201010191808
公開日2010年11月24日 申請日期2010年6月4日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月4日
發(fā)明者任磊, 伍元勝, 朱建, 沈艷, 王繼禾, 鄧勤林, 郭兵 申請人:四川大學(xué)