劉廣文

（安徽省合肥市第八中學(xué)，合肥230071）

利用數(shù)字功率表對(duì)計(jì)算機(jī)軟件功耗的測(cè)量與分析

劉廣文

（安徽省合肥市第八中學(xué)，合肥230071）

程序運(yùn)行能耗分析是計(jì)算機(jī)節(jié)能技術(shù)的研究熱點(diǎn)。本文利用數(shù)字功率表，對(duì)筆記本電腦上不同軟件運(yùn)行的功耗進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，包括電腦啟動(dòng)、硬盤讀寫、外圍輸入/輸出設(shè)備訪問、網(wǎng)上沖浪、軟件壓縮、多媒體播放和辦公軟件運(yùn)行等，并對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，以提醒人們?cè)鰪?qiáng)節(jié)能環(huán)保意識(shí)。

計(jì)算機(jī)；軟件；功耗；測(cè)量；節(jié)能

目前，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的能耗占到全部電力消耗的12%［1］，美國研究機(jī)構(gòu)Gartner對(duì)用戶電腦能耗進(jìn)行計(jì)算后形象指出：我們每Google一次，耗能相當(dāng)于燒開半壺水。IT作為耗電的“主力軍”已在呼喚節(jié)能和環(huán)保［2-3］。綠色計(jì)算(green computing)是本著對(duì)環(huán)境負(fù)責(zé)的原則使用計(jì)算機(jī)及相關(guān)資源的行為，即充分利用計(jì)算機(jī)先進(jìn)的軟件和硬件技術(shù)，提高計(jì)算機(jī)運(yùn)算效率，減低其工作負(fù)載，減少計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的數(shù)量，進(jìn)一步降低系統(tǒng)配套電源能耗［4］。

在計(jì)算機(jī)的傳輸耗能與運(yùn)行能耗中，PC所占比例最高。降低計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的能耗主要有［5-6］：第一，硬件技術(shù)。第二，軟件技術(shù)。第三，使用習(xí)慣和規(guī)矩。程序運(yùn)行能耗分析是綠色計(jì)算、高效能計(jì)算的研究熱點(diǎn)。本文將利用功率表，實(shí)測(cè)一些常用軟件運(yùn)行的實(shí)時(shí)功耗，并對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以具體數(shù)據(jù)喚起人們?cè)鰪?qiáng)計(jì)算機(jī)使用的節(jié)能環(huán)保意識(shí)。

1　測(cè)試設(shè)備與測(cè)試條件

表1　筆記本電腦主要配置參數(shù)Tab.1 Laptops main configuration parameters

測(cè)試電腦采用聯(lián)想E680A和聯(lián)想K29兩臺(tái)筆記本電腦，其主要配置參數(shù)如表1所示。測(cè)試功率表是以ADE 7169電能計(jì)量芯片為核心組成的數(shù)字功率表（如圖1所示），其精度為0.5級(jí)。此外，還必須對(duì)功率表的輸入/輸出端口進(jìn)行改裝，即其輸入端口與筆記本的穩(wěn)壓電源（約19V）連接，其輸出端口與筆記本的電源插孔連接，功率表與電腦的連接如圖2所示。測(cè)試時(shí)功率表數(shù)據(jù)采集間隔為2s。

測(cè)試運(yùn)行的軟件除預(yù)裝的正版Windows操作系統(tǒng)外，還準(zhǔn)備正版的MSOffice2003，MS MediaPlayer10.0，暴風(fēng)影音播放器5，IE10與相關(guān)的Office和多媒體文檔。在進(jìn)行軟件功耗測(cè)量時(shí)要求：第一，將筆記本電腦的電源智能管理功能關(guān)閉，或者設(shè)為高性能模式，避免CPU頻率自動(dòng)調(diào)整對(duì)功耗的影響。第二，在測(cè)量過程中保持顯示器亮度不變：E680A的亮度設(shè)置為7/9，K29亮度設(shè)置為8/15。第三，卸掉筆記本的電池，直接由穩(wěn)壓電源供電，避免電池充電對(duì)功耗影響。第四，在筆記本工作一段時(shí)間（5min）后，再進(jìn)行測(cè)量，避免筆記本啟動(dòng)后，散熱風(fēng)扇未啟動(dòng)或已啟動(dòng)產(chǎn)生的誤差。

圖1　數(shù)字功率表Fig.1 The digital power meter

圖2　電腦與功率表的連接Fig.2 Connection for laptop with digital power meter

2　軟件運(yùn)行實(shí)時(shí)功耗測(cè)量與分析

2.1同一電腦運(yùn)行不同軟件的功耗對(duì)比

完成電腦與功率表的連接，啟動(dòng)電腦K29，當(dāng)功率表讀數(shù)穩(wěn)定后，啟動(dòng)IE10瀏覽器(Ver11.0)，快速打開www.sohu.com，www.sina.com，www.163.com，先后用Windows自帶的MediaPlayer和暴風(fēng)影音5播放同一音樂，將音量調(diào)整到最大。分次測(cè)試并記錄功耗，完成一項(xiàng)測(cè)試后重啟電腦直到功率表讀數(shù)穩(wěn)定后再進(jìn)行下一項(xiàng)測(cè)試。繪制的功耗曲線如圖3所示。

圖3　K29運(yùn)行不同軟件時(shí)的功耗Fig.3 Power of K29 running different software

從圖3可見，三種程序在打開至最終穩(wěn)定時(shí)都會(huì)產(chǎn)生功率的上升，其中MediaPlayer使電腦功耗上升最大為5.5W，而IE瀏覽器和暴風(fēng)影音5軟件使電腦功耗上升不大，均約為1W。其次，在剛剛打開程序時(shí)，IE瀏覽器使電腦產(chǎn)生一個(gè)功耗的峰值，并在瞬間達(dá)到約32W，隨后很快回落到20W之內(nèi)，而另外兩款軟件的這個(gè)效果相對(duì)不明顯，這種功耗峰值的產(chǎn)生可能與程序打開時(shí)的準(zhǔn)備過程有關(guān)。

圖4為K29讀取不同外設(shè)時(shí)的功耗曲線。可見，設(shè)備接入電腦都有一個(gè)功耗上升的過程，其中移動(dòng)硬盤上升最快，光驅(qū)次之，U盤最小。在向U盤和移動(dòng)硬盤寫入文件過程中，再次出現(xiàn)功耗上升，而在光驅(qū)播放電影時(shí)，功耗也有明顯上升。

圖5為K29進(jìn)行壓縮和解壓縮文件時(shí)的功耗曲線。壓縮過程，功耗增加明顯，約為42W，增加82.6%，同時(shí)觀察到CPU占用率上升達(dá)到約90%，可見，CPU占用率是功耗大的主因。而在解壓過程中，功耗也增加較大，約為31W，同時(shí)觀察到CPU占用率約為30%。從圖中還可看出，解壓過程時(shí)間較短，在第15個(gè)采樣點(diǎn)就完成解壓，而壓縮過程在第25個(gè)采樣點(diǎn)尚未完成，因此壓縮過程功耗累計(jì)更大。

圖4　K29讀取不同外設(shè)時(shí)的功耗Fig.4 Power of K29 reading the various peripherals

圖5　K29壓縮和解壓文件時(shí)功耗Fig.5 Power of K29 compressing and decompressing files

2.2兩臺(tái)電腦進(jìn)行相同操作的功耗對(duì)比

圖6為兩臺(tái)電腦啟動(dòng)過程的功耗曲線。圖7為兩臺(tái)電腦運(yùn)行Office2003軟件的功耗曲線。K29和E680A在啟動(dòng)過程中，功耗出現(xiàn)較大起伏，一般都高于穩(wěn)定時(shí)的功耗。K29的穩(wěn)定功耗約為10W，E680A的穩(wěn)定功耗約為22W，可見采用新技術(shù)的筆記本功耗更小。

圖6　電腦啟動(dòng)和穩(wěn)定后的功耗Fig.6 Power of laptops starting up

圖7　打開office文檔的功耗Fig.7 Power of opening office files

從圖7可見，在打開Word文檔時(shí)，出現(xiàn)了一個(gè)功耗小峰值，然后功耗回落，再打開PPT文檔時(shí)，出現(xiàn)了另一個(gè)較大功耗峰值，功耗回落穩(wěn)定后與未打開前有少許增加。文檔在打開時(shí)產(chǎn)生了功耗峰值，而峰值的大小與文檔大小，包含的圖片大小有關(guān)，文檔越大，含圖越多，功耗峰值越大。

3　結(jié)論

本文利用數(shù)字功率表，對(duì)筆記本電腦上不同軟件運(yùn)行的功耗進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。電腦軟件操作引起的功耗，實(shí)質(zhì)上是軟件操作觸發(fā)了硬件的處理，并由硬件直接產(chǎn)生了功耗。對(duì)本文測(cè)試數(shù)據(jù)的分析可得出如下結(jié)論：

第一，軟件運(yùn)行首先需要加載到內(nèi)存中，這會(huì)涉及CPU的指令運(yùn)行、內(nèi)存讀寫和硬盤讀寫操作，所以啟動(dòng)時(shí)都會(huì)有一個(gè)功耗峰值。

第二，熱插拔設(shè)備（主要是USB設(shè)備），電腦會(huì)安裝驅(qū)動(dòng)，為設(shè)備分配資源，所以會(huì)產(chǎn)生一個(gè)功耗峰值。因此，為低功耗，可在電腦的電源管理軟件中采用輸入/輸出設(shè)備（I/O）門控技術(shù)。

第三，對(duì)于置入后臺(tái)的軟件（如打開一個(gè)Office文檔），只在打開文檔時(shí)產(chǎn)生一個(gè)功耗峰值，隨后功耗與之前穩(wěn)定值相差不大，因此，對(duì)于這種后臺(tái)軟件不必要立即關(guān)閉，但對(duì)于打開的網(wǎng)頁，尤其是有較多插件的網(wǎng)頁，當(dāng)置于后臺(tái)時(shí)，仍有較大功耗產(chǎn)生，不看時(shí)應(yīng)該盡量關(guān)閉。

［1］劉曉.淺析我國計(jì)算機(jī)能耗對(duì)電力消費(fèi)的影響［J］.中外企業(yè)家，2012，（10）：127-128．

［2］過敏意.綠色計(jì)算：內(nèi)涵及趨勢(shì)［J］.計(jì)算機(jī)工程，2010，（10）：1-7.

［3］劉偉榮.計(jì)算機(jī)電源管理模式與計(jì)算機(jī)節(jié)能及數(shù)據(jù)安全新研究［J］.科技信息，2011，（10）：239．

［4］郭兵，沈艷，邵子立.綠色計(jì)算的重定義與若干探討［J］.計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)，2009，（12）：2311-2319．

［5］趙霞，郭耀，陳向群.軟件能耗優(yōu)化技術(shù)研究進(jìn)展［J］.計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展，2011，（12）：2308-2316．

［6］李敬華，賈蓓.高效能軟件開發(fā)設(shè)計(jì)芻議［J］.電信快報(bào)，2011，（06）：11-13.

Analysis and Measure of Power Consumption of Computer Running Software by Using Digital Power Meter

LIUGuang-wen
(No.8 Senior High School,Hefei 230071,China)

Program running energy consumption analysis is a research hotspot of computer energy saving technology.The power consumption of different software running on the laptop are measured in real time and analyzed by using the digital power meter and the software,including computer start,hard disk read and writes,peripheral access,surfing the Internet,software compress,multimedia play and office software etc.The purpose ofthis paper is toremind people toenhance awareness ofenergy saving.

Computer;Software;Power consumption;Measurement;Energysaving

TP272

A

1674-8646（2015）09-0050-02

2015-05-28

劉廣文（1997-），男，漢族，安徽合肥人。