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源碼級和算法級的功耗測試與優(yōu)化
作者：
時(shí)間：2010-03-12
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )
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測試結果如表4所列。
其中，M是v中1的個(gè)數，log2v為v的位數。
由表4可知，算法1～5的執行效率越來(lái)越高，算法5的查表法比算法1節省80％的功耗，其CPU周期數也相應減少，但是它們的指令數卻有所增加，所以算法5的查表法是以空間換取時(shí)間和功耗的算法。在內存充分大的嵌入式系統中，為盡量降低功耗，算法5是很好的選擇。
3 μC／OS-II的源碼級功耗優(yōu)化
μC／OS-II是一種可移植、可固化、可裁減及可剝奪型的多任務(wù)實(shí)時(shí)內核(RTOS)，適用于各種微處理器和微控制器。所有代碼用ANSI C語(yǔ)言編寫(xiě)，具有良好的可移植性。對μC／OS-II的源碼級功耗優(yōu)化分以下幾步實(shí)行：
①對計數器數據類(lèi)型的改進(jìn)。由表1可知，32位數據類(lèi)型的加1操作比8位數據類(lèi)型的加1操作能耗低27nJ，將μC／OS-II中常用數據的數據類(lèi)型改為INT32U，如任務(wù)控制塊OS_TCB中的prio、OSTCBDly、OSTCBX、OSTCBY、OSTCBBitX、OSTCBBitY等。
②對循環(huán)控制語(yǔ)句的改進(jìn)。由表3可知，while、goto循環(huán)語(yǔ)句的功耗比f(wàn)or循環(huán)語(yǔ)句的功耗低。將μC／OS-II中for循環(huán)句換成while循環(huán)語(yǔ)句，經(jīng)查看μC／OS-II的源碼，發(fā)現μC／OS-II在設計時(shí)已考慮到該問(wèn)題，多數循環(huán)使用while實(shí)現。在此只對OSInit()函數改進(jìn)，同時(shí)μC／OS-II中固定的任務(wù)(如OS_TaskIdle、OS_TaskStat中的控制)改為goto語(yǔ)句，減少應用程序的功耗。
③對內聯(lián)函數和宏的使用。對簡(jiǎn)短的常用函數加上inline關(guān)鍵字，或用宏來(lái)實(shí)現，內聯(lián)函數和宏的使用使軟件功耗降低。讀RAM比讀Flash功耗更大。處理器進(jìn)入子程序時(shí)，會(huì )首先將當前處理器的寄存器推入堆棧(RAM)，在離開(kāi)時(shí)又將處理器的寄存器彈出堆棧，這樣至少兩次對RAM操作。而宏在編譯時(shí)展開(kāi)，處理器順序執行指令，避免了調用子程序，同時(shí)減少了系統的功耗。μC／OS-II中常用的短函數改為內聯(lián)函數，如每個(gè)時(shí)鐘都要執行的OSTimeTick()和開(kāi)關(guān)中斷等，同時(shí)μC／OS-II中采用條件編譯，也會(huì )在一定程度上降低功耗。
④對變量存儲類(lèi)型的優(yōu)化。對于大部分嵌入式系統來(lái)說(shuō)，為了提高運行速度，通常寄存器做得很大，如ARM系列處理器有31個(gè)通用寄存器。有時(shí)許多寄存器空著(zhù)沒(méi)使用，可以將程序中常用的常量或變量直接置于寄存器中，而不是置于內存的靜態(tài)存儲區或動(dòng)態(tài)存儲區中。這樣做不僅提高了軟件運行速度，而且也節省能量消耗。由表3可知，使用寄存器變量能省近50％的功耗，μC／OS-II中每個(gè)時(shí)鐘周期都要使用的計數變量OSTime，將其用關(guān)鍵字register聲明即可。還有循環(huán)控制語(yǔ)句的計數變量，將其聲明為寄存器變量，降耗效果明顯。
⑤算法級的改進(jìn)。從算法級功耗的算法5可以看出，將一些運算的結果預先算好，放在Flash中，用查表的方法替代實(shí)時(shí)的計算，減少微控制器的運算工作量，可以有效地降低微控制器的功耗；不可避免的實(shí)時(shí)計算，達到精度就結束，避免“過(guò)度”計算；在精度允許的情況下，使用簡(jiǎn)單函數代替復雜函數作近似，也可以減少功耗。μC／OS-II中的任務(wù)調度和事件管理模塊都采用查找就緒表的方式來(lái)提高性能和降低功耗。為此，針對μC／OS-II的內存管理機制采用查表算法，借用任務(wù)管理中的就緒表實(shí)現內存塊的分配，這樣不但不會(huì )增加額外的空間需求，而且使內存管理的功耗更低。
對μC／OS-II的部分功能函數進(jìn)行源碼級功耗優(yōu)化，其優(yōu)化前后的結果如圖1所示。圖中，縱軸表示能耗(nJ)，橫軸表示改進(jìn)前后的功能函數。
結語(yǔ)
功耗較大的軟件，使用了較多功耗大的操作指令或是使用了不必要的指令。本文的創(chuàng )新之處在于，對軟件功耗優(yōu)化中的源碼級和算法級的功耗優(yōu)化進(jìn)行分析，對用不同語(yǔ)句實(shí)現相同功能的情況進(jìn)行分類(lèi)討論，測試其功耗特征，最后將功耗測試與分析結果運用到嵌入式操作系統μC／OS-II中，對其進(jìn)行源碼級的功耗優(yōu)化，實(shí)驗結果證明，源碼級的功耗優(yōu)化能明顯降低軟件的功耗。
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