嵌入式软硬件低功耗优化研究综述

李 坤

杭州鸿泉物联网技术股份有限公司 浙江 杭州310030

现阶段,嵌入式系统的应用较为广泛,在科学技术领域以及日常生产生活中均有涉及,其自身嵌入式特性,通常情况下人们并不会注意到,在实际研究中,嵌入式系统属于较为复杂的研究领域,其研究时长不短,但定义依然缺乏统一的标准。通常情况下是根据应用层面进行解读,在系统应用中使用较为常见的定义是将特定应用作为中心,将计算机技术作为基础,在系统中的软件以及硬件设备需要结合实际需求,增加或者是减少,形成在功耗、安全性等方面满足计算机应用需求的系统。

一、系统硬件部分

嵌入式系统中存在两大部分,也就是嵌入式硬件与嵌入式软件,因此研究系统的功耗问题需要从这两部分入手。首先,嵌入式硬件是整体系统运行的基础部分,因此使用的低功耗软件技术需要硬件部分的帮助和支持。在嵌入式系统运行过程中,主要硬件构成有嵌入式微处理器以及外围设备等,前者属于系统的核心部分,在系统使用初期阶段,低功耗优化技术主要实施部分是硬件,因此,这一技术在硬件层次上较为成熟,其低功耗优化技术产品在市场上较为常见[1]。

硬件层次部分使用的低功耗技术主要工艺有电路级以及微结构优化,优化级别具有层次性,主要是从低级到高级。现阶段,由于技术水平不断提高,硬件层次使用的低功耗优化技术发展相较于其他技术来说,速度较慢,但研究其优化技术发展,硬件层次依然在整体系统优化技术上发挥基础性作用。

二、系统软件部分

嵌入式系统在实际应用中,低功耗问题一直是系统中的重点问题,实现其有效设计,也是系统中的难点问题,设计人员需要在整体设计过程中分析不同的影响因素,保证综合性,以此降低功耗。在硬件层次上需要使用低功耗优化方式,实现系统有效优化,在软件层次上也要设计相应的嵌入式软件。系统自身特点影响,嵌入式系统中的软件基本是处于固化状态,因此软件部分也是优化技术中难以替代的部分。嵌入式系统中的软件功耗问题是整体系统中的重要组成部分,设计人员需要依靠平台,在开发过程中创新低功耗软件,保证硬件层次与软件层次的同时优化,降低系统功耗。

三、编译优化过程

(一)循环优化过程。通常情况下,编译优化过程在性能提高同时,实现功耗降低主要致力于两方面,其一是优化缩短执行时间,对功耗降低具有重要作用;其二是优化措施对功耗降低也会产生一定弊端,在指令开发过程中,存在大多数优化,会增加单位时间损伤的功耗问题。实际功耗优化过程中,需要平衡性能与功耗之间的关系。实施高层循环优化措施以及低层循环优化,对功耗会产生相应影响,因此不能仅仅局限于单一优化功能作用,需要保持综合性的目光看待优化。分析指令级功能优化过程中,一部分方法是从编译过程获得的,降低软件整体功耗问题,使用的低功耗编译技术是选择低功能指令取代高功能指令,以此提高整体编译效果。

循环开展优化可以发掘不同部分之间的指令级,实现有效并行,降低循环控制中语句的执行次数,实现语句跳转,缩短整体执行时间,对功耗降低具有重要作用。软件使用过程中,实现流水过程,也能够缩短执行时间,降低功耗。经过相关实验研究,软件流水可对功耗产生的影响在一定程度上与高层循环变化具有联系,产生依赖作用。高层优化方法可以选择循环置换以及循环分块等,降低功耗,有效优化之后能够缩短整体执行时间。

(二)内联优化过程。编译过程中,并不是指单一过程循环,可以选择循环交换或者是循环合并方式,实现循环优化,也可以移动语句或者是循环数组访问下标对齐等方式。在不同优化过程中,使用调用连接可以依据相应的标准优化。这一过程需要保存现场,变量以及内容均需保存,实现PC跳转,消耗一定能量。使用内联方式消除这一部分的功耗,但并不需要所有的过程都直接使用内联方式,需要制定相应的标准,在实际使用中,内联方式的不合理性会造成代码数量的增加,对系统中的程序读取环节增加功耗。使用功耗的标准:

首先调用过程中,其频率较高,实施内联后单个过程也不会超过相应指令大小,具有较为明显的降低现象,在现场保存以及恢复过程中会发生相应的损耗,有效降低相应功耗;在过程中调用次数较少会直接内联,存在一次或者是两次,根据具体程序调整少数定义;在调用过程中,代码量较少情况下,使用调用或者是返回指令现场保存时间相比于调用本身,占用空间较大[2]。

总结

嵌入式设备不断发展进步,其中较为主要的功耗问题对系统产生较为严重的制约作用,需要不断降低系统性能或者是在较少系统损耗情况下,提高功耗优化研究价值。通过软件层次、硬件层次分析功耗的不同研究方向,结合相应影响因素,提出可行性评价,在编译优化角度中,实现高级语言与低级语言的编译,选择相应低功耗指令以及循环优化,有效降低系统功耗。