嵌入式软件能耗的影响因素

总结文献资料，对嵌入式软件能耗的影响因素进行了分析，参考的文献和资料在文章末尾

对一个嵌入式系统而言，除了完成基本的功能，要在市场上提高自身的产品竞争力，有很多优化的方向，其中，能耗就是一个重要的设计因素，一些典型的例子包括手机、蓝牙耳机、蓝牙音箱等，它们的续航能力常常是顾客选购的一个参考因素，也影响了顾客的满意程度。

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，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，对一名软件工程师来说，在硬件选型之外，对于能耗因素更多关注在软件相关的能耗。

• 计算机产生能耗的基本原因

  计算机产生的能耗是指：系统运行时，电脑CPU、Cache以及I/O设备等硬件产生的能量消耗。

  软件不会直接产生能耗，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。

  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。

• 抽象的软件能耗分析

  根据文献1所述，可以从三个层面进行能耗分析，分别是指令层、算法层、软件体系结构层，概述如下：

  • 指令层

    • 数据存取是一个相当大的工作量，减少指令对存储器的存储操作, 如果选择优化后的编译器, 则可能会实现系统的低能耗
    • 高级程序语言转码为低级语言，指令的执行次数和执行时间会影响能耗
    • 对指令的执行顺序进行再次排序, 降低指令间电路交换的频率, 系统能耗就会减少
    • 对于处理器的特定优化技术可降低能耗

  • 算法层

    在算法层次下, 软件的能耗由算法和算法中数据结构所决定：对程序代码中的语句进行调度、对算法和数据结构进行合适的选择与设计, 从而找出设计低能耗软件的方法

    • 算法执行次数：算法的执行产生对应能耗, 算法执行次数决定软件能耗大小
    • 时间复杂度：时间复杂度决定着算法运行时间的长短, 运行时间的长短影响着算法执行次数, 从而影响着软件能耗
    • 空间复杂度：空间复杂度表示着算法运行中所需的存储空间大小, 减少存储空间大小可以实现降低软件能耗

  • 体系结构层

    好的软件应该具备一个好的软件体系结构, 同时软件体系结构还对软件能耗产生影响。 相比于指令级和算法级, 这一级别的能耗研究分析才刚刚起步

    因为嵌入式软件一般是在嵌入式实时操作系统下运行, 资源受限, 所以必须高效的设计嵌入式软件, 去除冗余, 优化构件：

    • 程序模块复杂性：减少程序平均复杂性，可提高软件简单性，进而实现软件的能耗优化
    • 程序模块耦合度：耦合度越高，软件越复杂
    • 构建间通信接口：减少数据传输时的通信能耗

  以上分类比较抽象，下面举两个更具体例子

• 一些更具体的例子

  • 内核对任务的调度策略

    • 减少不必要的进程切换：

      进程切换会导致CPU的唤醒和功耗，因此选用合适的调度策略可以减少不必要的上下文切换，从而降低能耗

    • 优化任务分配

      避免高耗能任务连续执行，可降低整体能耗

  • 利用硬件特性

    • 如C/C++中struct的对齐，结构体对齐可以提高访问速度和提高内存利用率

• 参考

  嵌入式系统软件能耗分析技术的研究 - 中国知网 (cnki.net)

  基于RTOS的CPU能耗控制技术研究.pdf资源-优快云文库