李 坤

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現(xiàn)階段,嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用較為廣泛,在科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域以及日常生產(chǎn)生活中均有涉及,其自身嵌入式特性,通常情況下人們并不會(huì)注意到,在實(shí)際研究中,嵌入式系統(tǒng)屬于較為復(fù)雜的研究領(lǐng)域,其研究時(shí)長(zhǎng)不短,但定義依然缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。通常情況下是根據(jù)應(yīng)用層面進(jìn)行解讀,在系統(tǒng)應(yīng)用中使用較為常見的定義是將特定應(yīng)用作為中心,將計(jì)算機(jī)技術(shù)作為基礎(chǔ),在系統(tǒng)中的軟件以及硬件設(shè)備需要結(jié)合實(shí)際需求,增加或者是減少,形成在功耗、安全性等方面滿足計(jì)算機(jī)應(yīng)用需求的系統(tǒng)。

一、系統(tǒng)硬件部分

嵌入式系統(tǒng)中存在兩大部分,也就是嵌入式硬件與嵌入式軟件,因此研究系統(tǒng)的功耗問題需要從這兩部分入手。首先,嵌入式硬件是整體系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)部分,因此使用的低功耗軟件技術(shù)需要硬件部分的幫助和支持。在嵌入式系統(tǒng)運(yùn)行過程中,主要硬件構(gòu)成有嵌入式微處理器以及外圍設(shè)備等,前者屬于系統(tǒng)的核心部分,在系統(tǒng)使用初期階段,低功耗優(yōu)化技術(shù)主要實(shí)施部分是硬件,因此,這一技術(shù)在硬件層次上較為成熟,其低功耗優(yōu)化技術(shù)產(chǎn)品在市場(chǎng)上較為常見[1]。

硬件層次部分使用的低功耗技術(shù)主要工藝有電路級(jí)以及微結(jié)構(gòu)優(yōu)化,優(yōu)化級(jí)別具有層次性,主要是從低級(jí)到高級(jí)?，F(xiàn)階段,由于技術(shù)水平不斷提高,硬件層次使用的低功耗優(yōu)化技術(shù)發(fā)展相較于其他技術(shù)來說,速度較慢,但研究其優(yōu)化技術(shù)發(fā)展,硬件層次依然在整體系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)上發(fā)揮基礎(chǔ)性作用。

二、系統(tǒng)軟件部分

嵌入式系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中,低功耗問題一直是系統(tǒng)中的重點(diǎn)問題,實(shí)現(xiàn)其有效設(shè)計(jì),也是系統(tǒng)中的難點(diǎn)問題,設(shè)計(jì)人員需要在整體設(shè)計(jì)過程中分析不同的影響因素,保證綜合性,以此降低功耗。在硬件層次上需要使用低功耗優(yōu)化方式,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)有效優(yōu)化,在軟件層次上也要設(shè)計(jì)相應(yīng)的嵌入式軟件。系統(tǒng)自身特點(diǎn)影響,嵌入式系統(tǒng)中的軟件基本是處于固化狀態(tài),因此軟件部分也是優(yōu)化技術(shù)中難以替代的部分。嵌入式系統(tǒng)中的軟件功耗問題是整體系統(tǒng)中的重要組成部分,設(shè)計(jì)人員需要依靠平臺(tái),在開發(fā)過程中創(chuàng)新低功耗軟件,保證硬件層次與軟件層次的同時(shí)優(yōu)化,降低系統(tǒng)功耗。

三、編譯優(yōu)化過程

(一)循環(huán)優(yōu)化過程。通常情況下,編譯優(yōu)化過程在性能提高同時(shí),實(shí)現(xiàn)功耗降低主要致力于兩方面,其一是優(yōu)化縮短執(zhí)行時(shí)間,對(duì)功耗降低具有重要作用;其二是優(yōu)化措施對(duì)功耗降低也會(huì)產(chǎn)生一定弊端,在指令開發(fā)過程中,存在大多數(shù)優(yōu)化,會(huì)增加單位時(shí)間損傷的功耗問題。實(shí)際功耗優(yōu)化過程中,需要平衡性能與功耗之間的關(guān)系。實(shí)施高層循環(huán)優(yōu)化措施以及低層循環(huán)優(yōu)化,對(duì)功耗會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)影響,因此不能僅僅局限于單一優(yōu)化功能作用,需要保持綜合性的目光看待優(yōu)化。分析指令級(jí)功能優(yōu)化過程中,一部分方法是從編譯過程獲得的,降低軟件整體功耗問題,使用的低功耗編譯技術(shù)是選擇低功能指令取代高功能指令,以此提高整體編譯效果。

循環(huán)開展優(yōu)化可以發(fā)掘不同部分之間的指令級(jí),實(shí)現(xiàn)有效并行,降低循環(huán)控制中語句的執(zhí)行次數(shù),實(shí)現(xiàn)語句跳轉(zhuǎn),縮短整體執(zhí)行時(shí)間,對(duì)功耗降低具有重要作用。軟件使用過程中,實(shí)現(xiàn)流水過程,也能夠縮短執(zhí)行時(shí)間,降低功耗。經(jīng)過相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究,軟件流水可對(duì)功耗產(chǎn)生的影響在一定程度上與高層循環(huán)變化具有聯(lián)系,產(chǎn)生依賴作用。高層優(yōu)化方法可以選擇循環(huán)置換以及循環(huán)分塊等,降低功耗,有效優(yōu)化之后能夠縮短整體執(zhí)行時(shí)間。

(二)內(nèi)聯(lián)優(yōu)化過程。編譯過程中,并不是指單一過程循環(huán),可以選擇循環(huán)交換或者是循環(huán)合并方式,實(shí)現(xiàn)循環(huán)優(yōu)化,也可以移動(dòng)語句或者是循環(huán)數(shù)組訪問下標(biāo)對(duì)齊等方式。在不同優(yōu)化過程中,使用調(diào)用連接可以依據(jù)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化。這一過程需要保存現(xiàn)場(chǎng),變量以及內(nèi)容均需保存,實(shí)現(xiàn)PC跳轉(zhuǎn),消耗一定能量。使用內(nèi)聯(lián)方式消除這一部分的功耗,但并不需要所有的過程都直接使用內(nèi)聯(lián)方式,需要制定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn),在實(shí)際使用中,內(nèi)聯(lián)方式的不合理性會(huì)造成代碼數(shù)量的增加,對(duì)系統(tǒng)中的程序讀取環(huán)節(jié)增加功耗。使用功耗的標(biāo)準(zhǔn):

首先調(diào)用過程中,其頻率較高,實(shí)施內(nèi)聯(lián)后單個(gè)過程也不會(huì)超過相應(yīng)指令大小,具有較為明顯的降低現(xiàn)象,在現(xiàn)場(chǎng)保存以及恢復(fù)過程中會(huì)發(fā)生相應(yīng)的損耗,有效降低相應(yīng)功耗;在過程中調(diào)用次數(shù)較少會(huì)直接內(nèi)聯(lián),存在一次或者是兩次,根據(jù)具體程序調(diào)整少數(shù)定義;在調(diào)用過程中,代碼量較少情況下,使用調(diào)用或者是返回指令現(xiàn)場(chǎng)保存時(shí)間相比于調(diào)用本身,占用空間較大[2]。

總結(jié)

嵌入式設(shè)備不斷發(fā)展進(jìn)步,其中較為主要的功耗問題對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生較為嚴(yán)重的制約作用,需要不斷降低系統(tǒng)性能或者是在較少系統(tǒng)損耗情況下,提高功耗優(yōu)化研究?jī)r(jià)值。通過軟件層次、硬件層次分析功耗的不同研究方向,結(jié)合相應(yīng)影響因素,提出可行性評(píng)價(jià),在編譯優(yōu)化角度中,實(shí)現(xiàn)高級(jí)語言與低級(jí)語言的編譯,選擇相應(yīng)低功耗指令以及循環(huán)優(yōu)化,有效降低系統(tǒng)功耗。