面向嵌入式系统绿色需求的编译技术研究

徐岳涛

摘 要：随着各种嵌入式智能设备的广泛普及和应用，人们生活质量得到了显著提升，然而由此引起的环境和资源问题也越来越严重。以低污染、低能耗为目标的绿色需求已经成为当今社会可持续发展的必然选择。为降低嵌入式系统的能耗，提高嵌入式设备中各资源利用率，不仅要从材料选取、设备制造进行改进，也要对其上运行的软件进行相关优化，从而使系统适应不断增长的绿色需求。

关键词：绿色编译器；绿色评估模型；指令调度

如今，半导体技术、移动智能终端设备迅猛发展，并且产品种类繁多，功能丰富，应用范围广泛，涉及到人们的工作、生活和学习的各个方面，极大地满足了人们的物质需求，人们对其的使用数量和使用频度也逐步增長。但是，电子产品的迅速发展也带来了诸多负面影响，如巨大的能源消耗，释放温室气体，电子垃圾含大量有毒物质等等，这些问题我们不容小视。针对以上提到的能源环境问题，以低成本、高功效、低污染、低能耗为目标的绿色技术已经成为人们关注的重点。随着IT设备智能化自动化程度的提高，设备的功效、能耗不仅与设备硬件质量有关，也会受到其上运行软件的影响。在相同的设备硬件上运行不同的软件程序，将产生不一样的能耗。因此，怎样从软件方面提高电子智能设备的绿色指标也是至关重要的问题。

1 嵌入式系统的指令调度方法

指令调度的主要目标是在满足控制依赖和数据依赖的前提下，对执行序列进行调整处理，从而使生成的目标代码有较大的并行性，确保处理器充分发挥流水线能力，进一步提高执行过程中的性能和能效。通用处理器是从系统硬件层面为程序的并行性能提供较为困难的处理逻辑来保证程序的执行效率，因此对于编译的指令调度要求不是很高。如今，人们对于绿色电子的需求越来越高，这就要求处理器的硬件结构越简单高效越好。因此，研发人员也就提出了各种各样的简单高效的嵌入式处理器，如随机处理器、时序推测处理器等等。这些新型的简单高效能处理器使得传统处理器失去了原有的优势，人们开始重点考虑良好的软件层面指令调度的算法。此外，芯片的体积正在向着小型化发展，总线的布置也越来越密集，总线的能耗以及传输稳定性、信息可靠性都受到影响。因此，如何对新型结构体系进行优化，以提高体系的绿色指标已成为绿色需求中至关重要的问题。在提高总线能效的过程中，考虑到总线翻转编码即简单又高效，所以常将其应用于嵌入式体系结构之中。对于TS处理器以及带翻转编码的嵌入式结构，一般采用适应性指令调度的优化方法，以降低总能系统能耗，提高处理器功效，均衡各个线路的使用率，从而使相应体系结构的绿色优化指标稳定提升。

处理器、存储器和总线系统是计算机中能源消耗的主要部件。一般指令调度的方法是针对特定体系机构的某一特定方面，比如随机处理器的存储器部分，带总线翻转编码的总线部分，很少综合该指令调度方法对多个部分的影响。因此，怎样综合考虑多个方面的因素，设计针对多目标的指令调度方法是日后研发人员的研究重点。

2 多目标数据分配优化方法

存储系统是计算机系统中至关重要的组成部分，其资源利用度以及能耗直接影响系统的绿色指标。而编译时对数据的合理分配正是对存储系统资源利用度的直观表现。数据的分配方案不同，就会产生不同的存储利用率以及能耗。于此同时，数据分配方案的差异也会改变程序最终生成的指令，从而使数据总线中的传输耗损和传输能耗等绿色指标受到影响。怎样在数据分配过程中综合考虑系统的绿色指标以及总线的绿色指标是提高整个系统绿色指标的重点。

编译器优化过程的重要环节之一就是数据分配。数据分配通过对系统可用资源以及程序中的数据进行分析，确定哪些寄存器储存哪些数据，哪些内存存放哪些数据，从而保证程序在有限的存储空间中可以顺利运行。针对不同的优化目标，有相应的数据分配方案，比如中断比较多的嵌入式程序就希望尽可能少的寄存器，以减少中断恢复和中断保护的开销；而性能比较优化的程序就希望充分使用所有储存器，尽可能减少其访问内存频率，提高执行能力。由于寄存器数量有限，程序中不可避免会要求把一些计算结果和变量移存到缓存或内存等存储单元。因此，怎样合理的分配这些数据，也是提高系统绿色指标不可忽视的重要部分。数据分配不仅仅是编译器后面端口的主要任务，并且在程序运行时对总线系统和存储系统的绿色指标也有着重要影响。

3 结语

本文的某些优化理论是在现有技术上进行优化改进，虽然可以在一定程度上提升绿色指标，但是，绿色指标的提升度并不是特别明显。怎样根据新的绿色指标需求的特点，而设计研发出针对性比较强的编译优化方法，这对于绿色编译技术的提高有着更积极的作用。虽然编译技术已经有了很长的研究，但是还远远不够，绿色编译技术仍然还存在着很大的发展空间。

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