羅殊彥, 朱怡安, 王偉超

(西北工業(yè)大學(xué) 計算機學(xué)院, 陜西 西安　710072)

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嵌入式系統(tǒng)節(jié)能能力度量模型研究

羅殊彥, 朱怡安, 王偉超

(西北工業(yè)大學(xué) 計算機學(xué)院, 陜西 西安710072)

摘要：針對系統(tǒng)節(jié)能能力度量對象單一，且很多指標(biāo)無法量化的問題，從操作系統(tǒng)層和硬件層兩方面綜合考慮，構(gòu)建出了嵌入式系統(tǒng)節(jié)能能力度量模型(ESCMM)。該模型從完整的嵌入式系統(tǒng)角度，給出了節(jié)能能力度量的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。此外，還針對節(jié)能綜合評價結(jié)果不能直接刻畫出節(jié)能水平的問題，在Roofline模型的基礎(chǔ)上進行了改進，提出了基于Roofline模型的節(jié)能能力分析方法，并通過實例進行了驗證，有效地找出了系統(tǒng)能耗的瓶頸。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng);節(jié)能能力;度量模型;ESCMM;Roofline模型

當(dāng)前嵌入式系統(tǒng)發(fā)展迅速，已經(jīng)融入到各種工業(yè)和民用設(shè)備中，大到航空航天控制系統(tǒng)、雷達設(shè)備，小到手機、數(shù)碼相機等設(shè)備。嵌入式系統(tǒng)以體積小巧、功能強大而著稱。在一塊小的單芯片上，可以實現(xiàn)多媒體播放、圖像處理、無線通訊等諸多功能[1]。然而，在嵌入式軟件和硬件飛速發(fā)展的同時，其能耗也隨之增大。因此，能耗控制問題就成為制約嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的最重要因素。

通常嵌入式系統(tǒng)的電池容量是有限提供的。人們希望在系統(tǒng)提供高性能處理能力的同時，應(yīng)盡量少為電池充電或更換電池。因此，為了確保系統(tǒng)擁有更強的“續(xù)航”能力，有效節(jié)能控制是其前提。一般而言，電池容量與其體積成正比，為達到體積和容量的雙重要求，就必然不斷提高電池的單位體積容量。然而，在近幾十年中，電池技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展速度以每年20%～30%的速度被拉開，兩者之間的差距并不在同一個數(shù)量級上[4]。

除此之外，在追求系統(tǒng)體積不斷縮小的同時，芯片散熱問題也變得愈發(fā)突出。系統(tǒng)中各種設(shè)備的溫度變化，都會影響設(shè)備本身的穩(wěn)定度，且會使設(shè)備的后期維護費用增加[5]。正因為存在散熱問題，使得在有限的嵌入式系統(tǒng)空間中，還需增加散熱裝置，這也同時增加了系統(tǒng)的能耗與研發(fā)成本。

由此可見，高性能和低能耗本身就是存在矛盾關(guān)系，系統(tǒng)的節(jié)能能力是一個相對的概念。它是指嵌入式計算機通過采用一定的方法，使系統(tǒng)能在完成既定任務(wù)的前提下，盡量達到節(jié)約能耗的行為[7]。為了讓系統(tǒng)具有更強的續(xù)航能力，設(shè)計人員在設(shè)計系統(tǒng)之初都會采用許多節(jié)能保護措施。有的直接在硬件芯片層[8-9]上，實現(xiàn)簡易的算法；也有在嵌入式操作系統(tǒng)層[10-11]上，實現(xiàn)強大的能耗管理模塊。雖然這些方法都能對最終的系統(tǒng)能耗產(chǎn)生了一定的影響，但效果如何卻沒有一個統(tǒng)一的評價標(biāo)準(zhǔn)。因此，分析系統(tǒng)中不同類型的節(jié)能方法，找出其內(nèi)在的聯(lián)系，并通過科學(xué)的方法給出統(tǒng)一的評價標(biāo)準(zhǔn)，使設(shè)計人員能夠更好地發(fā)現(xiàn)這些節(jié)能方法的瓶頸所在，有助于系統(tǒng)節(jié)能方法的改進，對嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展有十分重要的意義。

屋頂模型(rooflinemodel)[12]是2008年由SamuelWilliams等人提出的，主要是用于分析處理器性能與片外存儲器帶寬利用率之間的關(guān)系，找出系統(tǒng)的瓶頸所在。雖然該模型最初是為了評價處理器性能而設(shè)計的，但其設(shè)計思想?yún)s具有一定的通用性。因此，本文將通過對Roofline模型進行改進，使其能對系統(tǒng)的節(jié)能能力進行分析評價，有效找出節(jié)能方法的瓶頸。

1國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1節(jié)能能力評價方法

目前，對系統(tǒng)能耗的測量方法主要有：硬件測量、理論計算、軟件模擬等。其中，硬件測量和理論計算所得到的能耗結(jié)果的精度欠佳，軟件模擬法所獲得節(jié)點級能耗的粒度較粗，不能進行細粒度預(yù)測。

2003年，為了貫徹落實《中華人民共和國節(jié)約能源法》以及政府有關(guān)節(jié)能的政策和要求，提高計算機產(chǎn)品的能源利用效率，引導(dǎo)企業(yè)的節(jié)能技術(shù)進步，中國節(jié)能認證產(chǎn)品管理委員會發(fā)布了計算機節(jié)能相關(guān)的技術(shù)規(guī)范《CCEC/T22-2003計算機節(jié)能產(chǎn)品認證技術(shù)要求》。

2009年，為了進一步適應(yīng)計算機產(chǎn)業(yè)技術(shù)的發(fā)展，中國質(zhì)量認證中心(CQC)頒布實施了《CQC3114-2009計算機節(jié)能認證技術(shù)規(guī)范》，該規(guī)范一直沿用至今。CQC依據(jù)該規(guī)范對臺式微型計算機和便攜式微型計算機進行CQC自愿性的資源節(jié)約認證。其中，聯(lián)想、惠普、戴爾、方正等在內(nèi)的眾多國內(nèi)外知名品牌計算機產(chǎn)品都獲得了該證書。2011年，中國發(fā)布了國家標(biāo)準(zhǔn)——《微型計算機能效限定值及能效等級》。該標(biāo)準(zhǔn)對計算機的能效限定值、節(jié)能評價值、試驗方法和實驗規(guī)則做出了詳細的規(guī)定。其中，能效限定值是強制性要求，其余為推薦性要求。

國外，在節(jié)能能力評價方法和測量工具方面的研究相比國內(nèi)較完善。其成熟的產(chǎn)品主要有SPECpowerssj2008和EPEAT(電子產(chǎn)品環(huán)境評估工具)。SPECpowerssj2008是由性能評價行業(yè)的領(lǐng)軍者SPEC公司推出的產(chǎn)品，是業(yè)界第一項用于評測系統(tǒng)級別服務(wù)器的與運算性能相關(guān)的能耗基準(zhǔn)測試工具，但由于SPECpowerssj2008測得的系統(tǒng)性能與能耗之間的關(guān)系粒度較粗，不能得到計算系統(tǒng)性能與能耗的關(guān)聯(lián)模型；而EPEAT是美國環(huán)保署推行的一個自愿執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)，采用多個等級對系統(tǒng)的環(huán)保表現(xiàn)進行綜合評價，得到較粗粒度的評估報告。

1.2Roofline模型

Roofline模型是由SamuelWilliams等人于2008 年提出的，它是現(xiàn)代計算機體系架構(gòu)的性能分析模型，雖然提出時間不長，但卻在行業(yè)中得到了非常廣泛的運用。Williams等人建立Roofline模型的初衷，是用于直觀顯示處理器性能與片外存儲器帶寬利用之間的關(guān)系。為了達到上述目標(biāo)，該模型中引入了運算強度(arithmeticintensity)的概念，它表示每個字節(jié)DRAM存取過程中所進行的浮點運算次數(shù)，即

(1)

式中，SAI表示運算強度，F(xiàn)LOOPs表示浮點運算總次數(shù)，BYTEs表示DRAM存取總字節(jié)數(shù)。DRAM存取總字節(jié)數(shù)是指經(jīng)過高速緩存(cache)結(jié)構(gòu)過濾后的那些主內(nèi)存所存取的字節(jié)數(shù)，即高速緩存與內(nèi)存之間交換數(shù)據(jù)的總字節(jié)數(shù)，而非處理器與高速緩存之間的交換字節(jié)數(shù)。因此，運算強度表示在特定計算機的內(nèi)核(kernel)所需要的DRAM帶寬值。

Roofline模型將浮點運算性能、運算強度及內(nèi)存性能緊緊聯(lián)系在一起，通過一個二維圖表顯示出來。它能以直觀并且可量化的方式，顯示計算設(shè)備所能獲得的性能范圍以及瓶頸所在。原始的Roofline模型圖可以分為兩部分，第一部分為算法最大性能受到設(shè)備帶寬的限制，第二部分為算法最大性能受到設(shè)備計算能力的限制。然而，經(jīng)過改進后的Roofline模型，能夠提供關(guān)于設(shè)備性能及算法優(yōu)化更多的信息，圖1為Roofline模型的示例圖。

圖1　Roofline模型示例圖

2指標(biāo)體系及評價方法

在評價系統(tǒng)節(jié)能能力之前，首先要對系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)中各個模塊進行逐一分析，確定其能耗的構(gòu)成。常見的嵌入式計算機組織如圖2所示。

圖2　嵌入式計算機組織結(jié)構(gòu)

從圖2可以看出，嵌入式系統(tǒng)的組成部分，也就是構(gòu)成嵌入式系統(tǒng)能耗的組成部分。在嵌入式系統(tǒng)中，直接產(chǎn)生能耗的是計算機硬件，嵌入式系統(tǒng)各部件能耗大致比例如圖3所示。

圖3　嵌入式系統(tǒng)能耗比例圖

從圖3可見，通常嵌入式系統(tǒng)在運行過程中，顯示屏與背光所消耗的能耗最大，約占32%；其次是CPU和內(nèi)存，約占24%；再次是網(wǎng)絡(luò)通信的消耗，約占21%，最后是硬盤，約占15%。此外，還有一些其他開銷，約占8%。

在上述討論的基礎(chǔ)上，本文提出了一個嵌入式系統(tǒng)節(jié)能能力的指標(biāo)體系，如圖4所示。

圖4　節(jié)能能力指標(biāo)體系

2.1操作系統(tǒng)層

基于操作系統(tǒng)層的節(jié)能方法主要包括：

1) 動態(tài)電源管理(dynamicpowermanagement,DPM)是指在系統(tǒng)運行時，允許動態(tài)地將系統(tǒng)暫時不用的設(shè)備切換到睡眠模式或切斷其電源，以降低系統(tǒng)能耗；當(dāng)需要使用這些設(shè)備時，再重新激活，起到動態(tài)管理電源的作用。常見DPM管理策略通常有：超時策略、預(yù)測式策略、隨機模型策略。

2) 動態(tài)電壓調(diào)節(jié)(dynamicvoltageScaling,DVS)是指系統(tǒng)在任務(wù)執(zhí)行時，動態(tài)地改變處理器的頻率和電壓，借此降低系統(tǒng)的能耗水平。在嵌入式系統(tǒng)中，系統(tǒng)能耗通常正比于電壓的平方與系統(tǒng)時鐘頻率的乘積。然而，每個任務(wù)執(zhí)行都有其特殊的時鐘周期，因此可近似地認為系統(tǒng)的能耗正比于電壓，降低系統(tǒng)的電壓即可節(jié)能。DVS技術(shù)采用以時間換能耗的方式，通過降低電壓，變相地改變時鐘頻率，延長任務(wù)的執(zhí)行時間，從而達到減少能耗開銷。常見的DVS管理策略有：非實時DVS調(diào)度和實時DVS調(diào)度。

3) 自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)(adaptivevoltagescaling,AVS)是指系統(tǒng)在任務(wù)執(zhí)行時，根據(jù)性能需求自動調(diào)整供給系統(tǒng)處理器的電壓，使處理器運行在能確保應(yīng)用軟件正確運行的最低電壓和頻率下，以降低能量消耗。常見的自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)方法有：EM(energymanagement)、PM(performancemonitor)、SoC調(diào)節(jié)等。

4) 支持節(jié)能的調(diào)度和管理算法。任務(wù)調(diào)度是指系統(tǒng)為確定一系列任務(wù)的執(zhí)行順序所采取的調(diào)度策略。不同的調(diào)度策略可以決定處理器的執(zhí)行方式，可以認為是系統(tǒng)能耗的主要來源?？筛鶕?jù)處理器類型來劃分調(diào)度算法的種類，通常可分為單核處理器調(diào)度和多核處理器調(diào)度兩類。

2.2硬件層

基于硬件層的節(jié)能方法主要包括：

1) 處理器內(nèi)核能耗節(jié)能。嵌入式系統(tǒng)，尤其是多核嵌入式系統(tǒng)中，存在大量的高性能計算，但計算量增加必定會使系統(tǒng)能耗也隨之增加。如何在確保處理內(nèi)核進行高性能計算的同時，又保證能耗開銷少量增加。通過下列情況進行綜合評價：

(1) 是否采用寄存器文件，即線程專用單元。每個線程都有一個固定容量的寄存器文件，而且當(dāng)線程的某個任務(wù)被阻塞或空轉(zhuǎn)時可以節(jié)省大量能耗；

(2) 是否共享加載未命中隊列(LMQ)，數(shù)據(jù)緩存未命中時，用以排列數(shù)據(jù)的加載未命中隊列。線程之間可以共享LMQ，通過該方法可以節(jié)省少量能耗；

(3) 是否使用分支預(yù)測器。分支歷史表可以是線程專用的，可以節(jié)省大量能耗；

(4) 是否存在用于L2緩存的DMA控制器。在緩存體和輸入輸出緩沖器之間控制數(shù)據(jù)流的用于L2緩存的DMA控制器；

(5) 是否在處理器內(nèi)核與L2緩存之間存在指令與數(shù)據(jù)隊列；

(6) 在訪問片外緩存或主存儲器時，是否在片上L2緩存有緩存未命中時才激活未命中的路徑邏輯。

2) 通信能耗節(jié)能。在芯片內(nèi)的總線上的通信以及設(shè)備之間的無線通信往往是一個芯片能耗的主要來源?？偩€編碼和編碼技術(shù)可以用來減少能源消耗的同時，增加數(shù)據(jù)的吞吐量和延遲方面的性能。無線通信在輕量級嵌入式系統(tǒng)通信總能耗中占主導(dǎo)地位。無線通信與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)之間的主要區(qū)別在于部署的元素數(shù)目，它們的功率限制，流動性水平等。通過下列情況進行綜合評價：

(1) 是否采用了自適應(yīng)偏移量總線編碼方法；

(2) 是否將把本地計算與數(shù)據(jù)進行融合；

(3) 是否存在避免兩幀同時發(fā)送的機制；

(4) 是否存在錯誤檢測機制；

(5) 是否有控制包控制機制；

(6) 是否采用外部中斷機制。

3) 顯示能耗節(jié)能。在嵌入式系統(tǒng)中，顯示器是與用戶進行交互的重要器件之一。由于背光顯示的原理，使得顯示器的能耗水平比其他的系統(tǒng)器件要高出許多。因此，在顯示能耗的節(jié)能控制方面，研究人員進行了大量研究和改進。通過下列情況進行綜合評價：

(1) 是否采用了低能耗人機交互技術(shù)。例如低能耗液晶顯示方案，該方案綜合運用了可變頻率刷新，動態(tài)色彩深度控制和補償，亮度和對比度增強背光亮度變暗的幾種技術(shù)降低能耗。

(2) 是否采用了低能耗圖形用戶界面(GUI)。例如針對筆記本電腦提出的顯示節(jié)能方案，包括Sun、X-Window、ZINC&UGL等。

4) 存儲系統(tǒng)能耗節(jié)能。當(dāng)前存儲設(shè)備主要有基于溫徹斯特技術(shù)的機械式磁盤、基于MEMS(microelectromechanicalsystem)存儲器和基于Flash的存儲器?；贛EMS存儲器與Flash存儲器具有較高存儲密度，較快數(shù)據(jù)讀取速度，能耗低等特點。不過受限于現(xiàn)有技術(shù)和使用成本，目前主要以技術(shù)成熟的溫徹斯特機械式磁盤與磁盤陣列為主，故本文只考慮傳統(tǒng)的磁盤(陣列)、內(nèi)存能耗研究現(xiàn)狀。

(1) 磁盤(陣列)。嵌入式系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)中心磁盤(陣列)可以達到數(shù)萬個以上，消耗著大量能量。磁盤(陣列)能耗一個重要的特征是能耗與盤面轉(zhuǎn)速2.8次方成比例關(guān)系，磁盤的主要能量消耗在于維持盤面的高速旋轉(zhuǎn)上，因此在保證數(shù)據(jù)存取的前提下讓無任務(wù)磁盤處于低能耗狀態(tài)或者關(guān)閉無任務(wù)盤面成為其節(jié)能的主要思想。

常見的磁盤能耗節(jié)能方法包括：

a) 基于數(shù)據(jù)重分布(datarelocation)的方法。通過數(shù)據(jù)動態(tài)重分布，使I/O訪問集中在少數(shù)幾個磁盤上，讓其他盤面處于低能耗狀態(tài)而減少能耗，從而降低磁盤陣列的總體能耗?；跀?shù)據(jù)重分布的低能耗管理方法的主要代表有：MAID(massivearrayofidledisks)、PDC(populardataconcentration)、冬眠技術(shù)(hibernator)、DRPM。其中，在系統(tǒng)負載比較低的情況下，MAID和PDC能夠有效降低能耗，特別是針對歸檔存儲節(jié)能效果明顯；而DPRM和Hibernator則能夠在各種負載級別下節(jié)省能耗，同時滿足系統(tǒng)的性能要求。

b) 基于請求重定向(requestredirection)的方法。利用存儲系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)的冗余關(guān)系，將I/O訪問請求臨時重定向到cache或者活躍磁盤，以減少磁盤的活躍程度或活躍磁盤的數(shù)量，從而降低整個存儲系統(tǒng)的總體能耗。當(dāng)前典型的基于請求重定向的低能耗技術(shù)有：基于磁盤能耗考慮的cache管理、writeoff-loading策略和eRAID方法。

(2) 內(nèi)存。嵌入式系統(tǒng)的內(nèi)存在存取過程中也存在大量能耗。內(nèi)存容量與讀寫速度對系統(tǒng)I/O性能影響顯著，隨著高頻率、大容量內(nèi)存的使用以及數(shù)據(jù)I/O密度的加大，內(nèi)存能耗趨于增長之勢。內(nèi)存有多種不同性能與能耗特征的工作模式，如Rambus公司的DRAM、RDRAM內(nèi)存支持4種不同的能耗狀態(tài)，每塊RDRAM芯片可以獨立激活，獨立設(shè)置能耗狀態(tài)。內(nèi)存標(biāo)準(zhǔn)化組織于2009年發(fā)布了低電壓內(nèi)存標(biāo)準(zhǔn)，并且支持高級電源管理，允許按需改變內(nèi)存內(nèi)部存儲池的工作狀態(tài)，為DPM內(nèi)存能耗控制提供了很好的基礎(chǔ)。

常見的內(nèi)存的能耗節(jié)能方法包括：

a) 基于refresh的能耗管理：內(nèi)存保持?jǐn)?shù)據(jù)時需要進行刷新(refresh)，如何在保持?jǐn)?shù)據(jù)的同時減少刷新量以節(jié)省能量，旨在減少刷新行的次數(shù)以降低能耗，主要有2種方式：對于高刷新頻率的數(shù)據(jù)采用最小行刷新；對于長刷新周期的行盡量延長刷新周期以節(jié)省能量。

b) 利用低能耗模式進行能耗節(jié)?。涸诤侠砝脙?nèi)存低能耗狀態(tài)方法時，內(nèi)存與磁盤控制策略能應(yīng)用相類似的能耗控制策略。當(dāng)前內(nèi)存動態(tài)能耗過程允許對內(nèi)存能耗進行多狀態(tài)管理，內(nèi)存由多組件合成，組件的不同狀態(tài)組合令內(nèi)存有了不同的工作狀態(tài)與能耗特征。例如，在讀寫狀態(tài)，內(nèi)存中所有組件處于活躍狀態(tài)而提供服務(wù)，能耗最高，而控制內(nèi)存全部或者部分組件處于休眠狀態(tài)產(chǎn)生各種能耗狀態(tài)。

5)I/O能耗節(jié)能。I/O系統(tǒng)的能耗主要由時鐘網(wǎng)絡(luò)能耗和存儲單元能耗組成，其節(jié)能方法也主要分為時鐘網(wǎng)絡(luò)能耗節(jié)能和存儲單元能耗節(jié)能兩部分。

(1) 時鐘網(wǎng)絡(luò)能耗在實際程序運行過程中通常占芯片總能耗的40%以上。時鐘網(wǎng)絡(luò)能耗節(jié)能的常見方法包括：門控時鐘策略、實時時鐘策略、動態(tài)時鐘管理策略。

(2) 存儲單元能耗包括I/Ocache能耗和內(nèi)部數(shù)據(jù)通信的能耗，目前cache體系結(jié)構(gòu)級的能耗控制方法有：cache劃分、可變?nèi)輈ache、位線隔離(bitlineisolation)、低能耗cache技術(shù)。其中低能耗技術(shù)又分為：分階cache(phasedcache)、路預(yù)測cache(way-predictingcache)、部分地址比較技術(shù)、標(biāo)簽忽略技術(shù)(tag-skipping)、標(biāo)簽壓縮技術(shù)。

6) 其他能耗節(jié)能。除了上述硬件層的節(jié)能器件外，嵌入式系統(tǒng)中還包括一些其他能耗器件。雖然所占能耗總量不大，但也存在節(jié)能的控制手段。其他能耗節(jié)能主要包括：總線能耗節(jié)能、硬件電路能耗節(jié)能、傳感器能耗節(jié)能等方面。

2.3節(jié)能評價指標(biāo)

2.1節(jié)和2.2節(jié)的指標(biāo)體系已經(jīng)初步勾勒出了節(jié)能能力的作用范圍，但具體效果如何，卻沒有直觀的表現(xiàn)。因此，在上述基礎(chǔ)上，本文提出了平均節(jié)能率和能耗性能比2個指標(biāo)來具體衡量節(jié)能效果。

2.3.1平均節(jié)能率

定義1平均節(jié)能率是指嵌入式系統(tǒng)在使用節(jié)能方法后與未使用之前在單位時間內(nèi)能耗降低的比例。

為了有效衡量系統(tǒng)不同部件的節(jié)能效率，提出平均節(jié)能率的概念。平均節(jié)能率可以直觀地反映出系統(tǒng)在使用節(jié)能方法后能耗減少的比例。平均節(jié)能率的計算方法如公式2所示。

其中，Rsave為平均節(jié)能率，Eold為未采用節(jié)能方法前的平均能耗，Enew為采用節(jié)能方法后的平均能耗。

2.3.2能耗性能比

定義2能耗性能比是指系統(tǒng)當(dāng)前平均能耗與當(dāng)前平均性能之間的比值。

定義3性能損失率是指嵌入式系統(tǒng)在使用節(jié)能方法后與未使用之前在單位時間內(nèi)性能降低的比例。

系統(tǒng)在降低能耗的同時，對性能也可能造成一定的影響，因此提出能耗性能比來衡量系統(tǒng)在使用節(jié)能手段后，性能損失的大小。能耗性能比的計算方法如公式3所示。

(3)

其中，EP為能耗性能比，取值范圍為(0,∞)；Rsave為平均節(jié)能率，Rloss為性能損失率。其中，Rsave的計算方法公式(3)已經(jīng)給出，Rloss的計算方法如公式(4)所示。

(4)

其中，Pold為未采用節(jié)能方法前的平均性能表現(xiàn)，Pnew為采用節(jié)能方法后的平均性能表現(xiàn)。Pold和Pnew的計算方法根據(jù)不同的設(shè)備應(yīng)有不同的區(qū)別，如當(dāng)計算CPU的能耗性能比時，可以采用MIPs或FLOPs作為其值，當(dāng)計算存儲器的能耗性能比時，可以采用存取速度作為其值，當(dāng)然性能評價的標(biāo)準(zhǔn)可以根據(jù)具體需求進行調(diào)整。當(dāng)EP的范圍為(0,1)時，即系統(tǒng)性能損失高于能耗降低比例，這通常不是用戶希望的結(jié)果，因此節(jié)能效果可以認為很差，且越接近0時，效果越差；當(dāng)EP=1時，即系統(tǒng)性能損失等于能耗降低比例，即性能隨著能耗等比例降低了，但該情況說明節(jié)能方法也幾乎未能起到太大的作用；當(dāng)EP的范圍為(1,∞)時，即系統(tǒng)的性能損失小于能耗降低比例，可以認為節(jié)能方法起到了一定的作用。

3Roofline模型

3.1坐標(biāo)系的建立

在完成了上述指標(biāo)體系的評價后，就可以通過Roofline模型對系統(tǒng)節(jié)能能力進行分析了。首先根據(jù)數(shù)據(jù)勾畫出Roofline的模型圖，具體步驟如下：

1) 建立直角坐標(biāo)系。X軸表示能耗性能比EP，單位為kW·h/GFLOP/s；Y軸表示浮點運算性能P，單位為GFLOP/s。需要注意的是，能耗和性能的真實值都無法直接獲得，需通過近似運算來獲得理論值。假定系統(tǒng)每小時的電量消耗(kW·h)近似等同于系統(tǒng)能耗，系統(tǒng)的浮點運算能力(GFLOPs)近似等同于系統(tǒng)性能。

2) 繪出峰值浮點性能。沿平行于X軸的方向根據(jù)實際數(shù)值繪一條直線，它表示嵌入式系統(tǒng)能達到的峰值浮點運算性能。很明顯，系統(tǒng)運行過程中真實的浮點運算速度不可能高于該值。

3) 以系統(tǒng)的能耗值為斜率繪制一條與X/Y軸成一定交角的直線，表示峰值能耗(kW·h)。由于X軸的單位為每千瓦時浮點運算次數(shù)(Kw/GFLOP)，Y軸單位為每秒浮點運算次數(shù)，因此，峰值能耗實際上就是與X/Y軸成一定交角的直線。此直線表示在某一能耗性能比下的系統(tǒng)最大的能耗開銷。

由以上描述可以得到CP的計算方法：

(5)

CP表示系統(tǒng)實際可達性能，TPpeak表示峰值浮點運算性能，TEpeak表示峰值系統(tǒng)能耗。公式(5)表明，計算機實際可達到的性能既要低于峰值浮點運算性能，同時也要低于峰值系統(tǒng)能耗與能耗性能比的乘積。Roofline模型圖的橫縱坐標(biāo)都采用了對數(shù)坐標(biāo)，因為這樣能夠?qū)⒏蠓秶膶嶒灲Y(jié)果顯示在一張結(jié)果圖中。斜線與水平線構(gòu)成一個“屋頂”的形狀，在屋頂下方的空間為系統(tǒng)所能達到的浮點運算性能。對于每個能影響能耗性能比的節(jié)能方法而言，都能夠在X軸上找到對應(yīng)的一點，如果過該點做一條平行于Y軸的線與“屋頂”相交形成一個線段，那么，該計算機對應(yīng)于此能耗性能比所對應(yīng)的節(jié)能方法所能取得的系統(tǒng)性能一定可以表示為這條線段上的某一點，如圖5所示。圖5中，斜線與水平線的交點稱為“脊點”，表示計算機在使用某種節(jié)能方法后同時達到了系統(tǒng)能耗峰值與系統(tǒng)性能峰值。脊點提供了一個計算機整體性能的判斷標(biāo)準(zhǔn)，脊點的橫坐標(biāo)標(biāo)明了為達到最高系統(tǒng)性能所需要的能耗性能比。如果該點很靠右，說明只有那些能耗性能比很大的節(jié)能方法才能達到此計算機浮點運算的峰值性能；如果此點很靠左，說明幾乎所有的節(jié)能方法都能很輕易地達到最高浮點運算性能。以上為原始的Roofline模型的繪制說明，該模型采用了束縛和瓶頸(boundandbottleneck)分析法，能僅在一張分析圖上提供所有有用的信息。

圖5　Roofline Model圖繪制示例

3.2模型的分析

對于計算機性能與能耗的瓶頸問題，可以通過以下幾種常見的方法來改善：

1) 系統(tǒng)增加DPM管理方法，允許動態(tài)將系統(tǒng)暫時不用的設(shè)備切換到睡眠模式或切斷其電源，以降低系統(tǒng)能耗，當(dāng)需要使用這些設(shè)備時，再重新激活，起到動態(tài)的管理電源的作用；

2) 系統(tǒng)增加DVS管理方法，允許系統(tǒng)在任務(wù)執(zhí)行時，動態(tài)地改變處理器的頻率和電壓，以此來節(jié)約系統(tǒng)的能耗；

3) 系統(tǒng)增加AVS管理方法，允許系統(tǒng)在任務(wù)執(zhí)行時，根據(jù)性能需求自動調(diào)整供給系統(tǒng)處理器的電壓，使處理器運行在能確保應(yīng)用軟件正確運行的最低電壓和頻率下，以此來降低系統(tǒng)的能耗；

4) 系統(tǒng)增加節(jié)能調(diào)度算法，允許系統(tǒng)為確定一系列任務(wù)的執(zhí)行順序采取一定的調(diào)度策略，使系統(tǒng)更加節(jié)能的執(zhí)行系統(tǒng)任務(wù)。

為了給予觀察者一些關(guān)于優(yōu)化措施及優(yōu)化效果的引導(dǎo)，可以在原始Roofline模型結(jié)果圖中繪制多個“屋頂”?？梢哉J為每一種優(yōu)化措施對應(yīng)著一個性能屋頂線，如果沒有采取相應(yīng)的節(jié)能優(yōu)化措施，系統(tǒng)便不能突破此峰值性能。

如圖6將系統(tǒng)能耗“屋頂線”與系統(tǒng)性能“屋頂線”結(jié)合生成新的Roofline模型。圖中節(jié)能優(yōu)化措

圖6　改善方法使用后的Roofline模型

施按實現(xiàn)容易程度進行排序，處在下方的優(yōu)化方法比處在上方的更容易實現(xiàn)。雖然沒有注明，但上方的優(yōu)化方法實際上已經(jīng)包含了下方的內(nèi)容。圖6中，系統(tǒng)能耗的“屋頂線”與系統(tǒng)性能“屋頂線”相交形成新的“屋頂線”，表明采用特定的節(jié)能優(yōu)化方法之后得到的新的Roofline模型圖，該圖可以為后期的系統(tǒng)性能優(yōu)化方法選擇提供指導(dǎo)作用。

4結(jié)論

嵌入式系統(tǒng)節(jié)能能力是系統(tǒng)智能控制的表現(xiàn)方式之一。本文通過對嵌入式系統(tǒng)節(jié)能方法和手段進行歸納總結(jié)，形成了較完備的性能評價指標(biāo)體系，并提出了平均節(jié)能率和能耗性能比兩個核心指標(biāo)來綜合衡量系統(tǒng)的節(jié)能水平，最后通過Roofline模型對系統(tǒng)節(jié)能能力進行了綜合分析，找出系統(tǒng)中不同方法的能力范圍和系統(tǒng)瓶頸所在，從而可以有效地幫助系統(tǒng)設(shè)計人員提高系統(tǒng)的能耗利用率，減少不必要的開銷。

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收稿日期：2015-09-22基金項目：航空科學(xué)基金(20150753010)、陜西省科技攻關(guān)項目(2015GY035)、西安市科技計劃項目(CXY151019)及民機專項(MJZ-2015-D-76)資助

作者簡介：羅殊彥(1984—)，西北工業(yè)大學(xué)博士研究生，主要從事計算機性能評價及人工智能等研究。

中圖分類號：TP302

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號:1000-2758(2016)03-0536-08

TheResearchofEnergy-SavingCapabilityMeasurementModelinEmbeddedSystem

LuoShuyan,ZhuYi′an,WangWeichao

(SchoolofComputerScience,NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi′an710072,China)

Abstract:With the continuous development of embedded technology, the energy consumption problem becomes more and more prominent. There are a lot of measurement methods of system energy-saving level at home and abroad. Some researchers measure the energy-saving level from DMP, DVS, etc. but they did not support a unified criterion; Some researchers evaluated the energy-saving method from the perspective of different hardware devices, but they did not quantify the indexes. In this paper, aimed at single measure objects of system energy saving ability and many indicators unquantifiable issues, both the operating system level and hardware level are considered to construct the energy-saving capability embedded system measurement model (ESCMM). The model gives a measure of uniform standards of energy-saving capability from a complete embedded system perspective. In addition, in this paper, the Roofline model is improved, and the energy saving capacity analysis method based on the Roofline model is put forward, which is verified by an example and at the same time the bottleneck of the system energy consumption effectively is find out.

Keywords:embedded system, self-evolution capability, measurement model, ESCMM, roofline model, energy balance, energy conservation, energy efficiency, energy management, energy utilization, power control, power quality