[發明專利]一種嵌入式軟件體系結構級能耗建模方法

無效

• 申請號: 201110348973.0
• 申請日: 2011-11-08
• 公開（公告）號: CN102426662A
• 公開（公告）日: 2012-04-25
• 發明（設計）人: 郭兵;沈艷;劉嘯濱;陳曉豐;王繼禾;伍元勝;劉云本;韓洪良;王敞
• 申請（專利權）人: 四川大學
• 主分類號: G06N3/08
• 分類號: G06N3/08
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

所屬技術領域

本發明涉及嵌入式軟件能耗優化技術領域，尤其是涉及一種嵌入式軟件體系結構級能耗建模方法。

背景技術

目前，嵌入式系統在信息家電、智能控制、軍事電子等領域得到了廣泛的應用。截止2009年底，全世界嵌入式設備的保有量超過了40億臺，且數量繼續呈快速增長的勢頭，每年電力消耗達到1000億千瓦時以上。在全球倡導“低碳經濟”的背景下，嵌入式系統的能耗是一個日益引起人們關注的熱點問題，成為嵌入式系統設計的重要考量因素。

國內外在嵌入式軟件能耗建模的研究成果有T.K.Tan提出了一種使用基于特性的宏模型分析、計算軟件能耗的方法，該方法以目標處理器能耗模型刻畫函數級能耗，然后根據函數刻畫整個軟件的宏模型，從而對軟件的能耗進行評估，并提出了一種體系結構轉換的方法，從體系結構的角度對嵌入式軟件的能耗進行優化，但該模型采用線性回歸方法，在面對多種輸入時模型不具有通用性，另外模型的準確性不夠穩定；Lee等描述了一種基于進程代數的形式化框架，對能源受限的實時系統進行建模與分析；Eric?Senn等針對具體的體系結構建模語言AADL(the?Architecture?Analysis?&?Design?Language)，提出了基于AADL模型的嵌入式系統能耗評估精化方法；張滕滕等提出了一種基于CSP(Communicating?Sequential?Process)進程代數語言的能耗模型，該模型以接口為基本研究對象，并對系統的最大、最小和平均能耗進行了定義，但文章缺乏對該模型有效性的驗證；陳麗瓊等提出了一種能耗時延Petri網(ECTPN)，對系統的模塊、任務、任務間關系、通信協議等進行建模，分析系統的可調度性和能耗約束，并給出啟發式算法計算滿足時間約束和能耗約束的可行調度；趙霞等提出了一種嵌入式操作系統能耗量化分析方法，利用微體系結構能耗模型估算單時鐘周期指令能耗，同時提出基于軟件功能結構的操作系統內核能耗估算模型，估算分析內核執行路徑、服務、例程、原子函數的能耗，發現操作系統內核中顯著影響系統能耗的關鍵軟件模塊及其特征。

對嵌入式軟件功耗的研究已經成為嵌入式研究領域的研究者所關注的焦點，但上述大多數研究仍然停留在指令級、源程序結構級和算法級的能耗分析與估算上，對更高層次的體系結構級的能耗分析與估算的研究還較少。本發明從嵌入式軟件體系結構層面中提取出有效代碼行數、構件數目、平均構件接口復雜度、平均路徑復雜度和平均構件耦合度5個體系結構級軟件特征量，并假設這些軟件特征量與軟件能耗存在非線性函數關系，以此為基礎建立了一種嵌入式軟件體系結構級能耗建模方法。該建模方法分析了上述軟件特征量影響嵌入式軟件能耗的過程，給出了具體的度量方法，并使用BP神經網絡擬合出軟件特征量與嵌入式軟件能耗的非線性函數關系。通過實驗驗證，模型預測值與實際能耗值的誤差在20％以內，說明了方法的有效性，同時也證明了體系結構級軟件特征量與嵌入式軟件能耗之間存在非線性關系的假設是合理的。

發明內容

本發明的目的在于提供一種嵌入式軟件體系結構級能耗建模方法。

本發明解決其技術難題所采用的技術方案的步驟如下：

1)對大量樣本程序的5個體系結構級軟件特征量(有效代碼行數LOC、構件數量TC、平均構件接口復雜度Rc、平均路徑復雜度Rp、平均構件耦合度CF)分別進行度量。

2)對5個軟件特征量的度量值進行預處理，處理后的值作為BP神經網絡的輸入值。

3)在功耗仿真實驗平臺HMSim上運行樣本程序，獲得樣本程序的能耗值E，E將作為BP神經網絡的輸出值。

4)確定BP神經網絡的具體結構，包括隱層數、隱層節點數、隱層傳遞函數和輸出層傳遞函數。

●隱層數的確定：隱層數多少決定了網絡誤差，但過多的隱層數會導致網絡復雜化，增加網絡訓練時間和“過擬合”的傾向。單隱層的BP神經網絡可以逼近任何在閉區間內的連續函數，一個三層的BP網絡可完成任意的n維到m維的映射。因此，隱層數確定為1。

●隱層節點數的確定：BP神經網絡中，隱層節點數對BP網絡性能影響巨大，但目前理論上還缺乏科學的和普遍的方法用于隱層節點數的確定。一般采用以下經驗公式確定隱層節點數n₁：其中，n為輸入層節點數，m為輸出層節點數，a為1到10之間的常數。對應到體系結構級能耗模型中，輸入層包括有效代碼行數、構件數量、平均構件接口復雜度、平均路徑復雜度和平均構件耦合度5個輸入量，因此，輸入層節點數為5，輸出層為平均功耗輸出層節點數為1。因此，n₁的取值范圍為3-12。