嵌入式系统底层片级到系统级软件能耗建模与分析

摘要

随着计算机技术的高速发展，嵌入式系统的性能也不断提高，嵌入式设备渗透到了人们生活生产的方方面面。其不仅应用于通信、金融、交通、医疗、仪器仪表、制造业控制等民用领域，还应用于航天航空和军事装备领域。由于嵌入式系统的广泛应用，它在应用中所产生的能耗会给信息与通信技术行业以及社会环境带来不良影响。针对此问题，本文就嵌入式系统能耗角度考虑，对其中相关的三个层级进行能耗估算模型的建立与分析。
　　嵌入式系统是针对特定功能而开发的计算机系统，是一个软硬件结合的综合系统，它的硬件组成与软件组成是不能分割的。对于嵌入式系统的能耗分析研究，需要分别从硬件能耗、软件能耗以及硬件与软件的相关性等多方面对系统进行研究。本文对硬件层结构以及与硬件层相关的软件层的主要功能进行逐层分析，研究底层的片级能耗以及与硬件相关的BSP级和驱动级能耗，完成了以下工作:
　　1.研究分析了嵌入式系统的硬件组成结构和软件体系结构，并对硬件层和软件层的能耗相关研究工作进行了分类综述。
　　2.建立了基于传统的Petri网的片级能耗模型。在满足系统性能度量指标条件下的片级硬件结构模型中，将硬件功能模块划分为处理器、存储器、输入输出和外设四个功能模块，分析各功能模块之间在工作模式下所产生的能耗量。
　　3.建立了BSP级和驱动级的能耗模型，并以LCD为例分别进行了能耗估算。首先分析了板级支持包BSP对硬件设备的初始化工作，并将各初始化状态抽象成状态连通图，分析出各初始化阶段产生的能耗与初始化程序、初始化时间有关，建立了BSP级的能耗模型;其次以字符设备为例分析了驱动程序中的I/O服务程序、设备驱动子程序、中断服务程序，建立驱动级的能耗模型;最后分别对两者进行能耗估算实验。
　　4.建立了底层片级到系统级总能耗模型。联系层级之间的关系，建立了总的结构模型，并以LCD的驱动流程为例，对其过程产生的能耗进行估算;然后将能耗模型估算结果与能耗模拟器结果进行对比实验，实验结果证明了模型估算的有效性。
　　总结以上的研究工作内容，分析了嵌入式系统与硬件相关层级对硬件设备产生能耗的过程，建立了三层级的总能耗模型，通过实验结果分析，达到了将抽象的系统能耗具体化的基本目的。在此基础上，对源程序进行了能耗优化与分析。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．3 相关理论基础

1．3．1 嵌入式硬件体系结构及低功耗技术

1．3．2 嵌入式软件体系结构及低功耗技术

1．3．3 嵌入式系统体系结构

1．3．4 Petri网的基本模型

1．4 本文主要工作

1．5 本文结构

2 底层片级能耗模型

2．1 片级结构模型

2．1．1 硬件模块分析

2．1．2 基于Petri网的片级结构模型

2．2 片级能耗分析

2．3 片级能耗模型

2．4 本章小结

3 底层系统级能耗模型

3．1 BSP级能耗建模

3．1．1 板级支持包BSP分析

3．1．2 BSP级能耗模型

3．1．3 实验分析

3．2 驱动级能耗建模

3．2．1 设备驱动程序分析

3．2．2 驱动级能耗模型

3．2．3 实验分析

3．3 本章小结

4 底层片级到系统级总能耗模型

4．1 总结构模型

4．2 总能耗模型

4．3 实验分析

4．3．1 实验环境

4．3．2 实验过程

4．4 源程序级优化

4．4．2 函数调用语句能耗

4．4．3 控制语句能耗

4．4．4 语句优化

4．4．5 实验分析

4．5 本章小结

5 总结和展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文以及参与项目