[發明專利]基于硬件性能計數器的嵌入式系統功耗估算方法

在審

• 申請號: 201310364590.1
• 申請日: 2013-08-20
• 公開（公告）號: CN103455132A
• 公開（公告）日: 2013-12-18
• 發明（設計）人: 張亮;沈沛意;宋娟;周夢;李博;蔡玉鑫
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: G06F1/32
• 分類號: G06F1/32;G06F11/36;G06F11/34
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司 33224
• 代理人: 胡紅娟

技術領域

本發明涉及嵌入式系統功耗計算領域，尤其涉及一種基于硬件性能計數器的嵌入式系統功耗估算方法。

背景技術

當前嵌入式系統的發展趨勢可以概括為硬件性能不斷升高，軟件規模日益增大，面臨著硬件功耗過高的性能問題，解決這個問題必須對嵌入式系統中硬件功耗的產生進行研究。

早期嵌入式處理器由于結構簡單多采用RISC指令集，性能要求不高，而且主頻較低，并沒有產生嚴重的功耗問題，功耗問題通常只存在于對性能要求較高的PC系統中。近年來隨著嵌入式系統對于硬件性能需求的不斷增加，為了得到更高的性能，其架構不斷復雜化，同時一些以往在高性能處理器上使用的技術也開始出現在嵌入式處理器中，這些技術在帶來了處理器性能飛速發展的同時，也使處理器的復雜度和功耗變得難以控制。

目前大多數處理器為了降低功耗都使用了動態的電源管理技術，能夠根據計算需求動態調節處理器的時鐘以及工作電壓和電流，這方面技術主要包括動態資源休眠（簡稱DRS）和動態速率調節（簡稱DSS）。動態資源休眠即為了節能而休眠或關閉空閑的資源，需要時再將資源動態喚醒。目前的主流處理器都支持動態休眠技術；動態速率調節即動態調節設備的運行速率，當計算存在大量的通信與同步時，快速設備完成其承擔的負載后必須等待慢速設備，此時快速設備的高速率是沒有必要的，降低快速設備的速率，可以降低系統功耗而不損失系統性能，從而實現系統的能耗優化。

但是此類技術從軟件開發的角度來講，開發人員無法知道其確切的工作狀態也無法進行有效的干預。此外，嵌入式處理器有其獨特的應用場合，對于移動設備電池容量也是有限的。因此在設計時，嵌入式系統的功耗與性能必須聯合起來進行考慮，找到一個最佳的平衡點。為此，必須能夠找到一種描述嵌入式系統中功耗的方法。在嵌入式系統中，處理器的功耗占據了整體功耗的很大一部分，并且通常會帶來散熱的問題，因此找到一種能夠描述軟件運行帶來的嵌入式處理器功耗的方法是十分必要的。

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于硬件性能計數器的嵌入式系統功耗估算方法，通過對性能事件的分類，選擇具有代表性的性能事件，利用功耗信息和性能事件的發生次數，采用基于斯皮爾曼秩相關系數判斷相關度的方法進行硬件性能計數器對應事件的選擇；然后利用基于多元線性回歸模型的方法進行系統功耗模型的建立。

一種基于硬件性能計數器的嵌入式系統功耗估算方法，包括以下步驟：

1）將嵌入式系統的處理器按功能進行模塊劃分，并將處理器所發生的性能事件按功能進行分類；

一般情況下，常根據功能將處理器劃分模塊，根據處理器中預定義性能事件的描述，可以手動將所有的性能事件對應于不同的功能模塊，進行分類，例如：對于數據的讀寫操作，可以將其劃分到和內存相關的一類事件中。

2）收集嵌入式系統運行時間內所有性能事件的功耗和發生次數；

本發明采用性能計數器，收集相應的性能事件的發生次數，所述性能計數器能同時收集一個或多個性能事件發生的次數。在測試程序中，盡可能多的讓所有需要統計的性能事件發生，例如，對浮點運算這類性能事件進行功耗統計，在測試程序中，不僅需要對加、減、乘、除四種運算多次進行計算，同時也需要對多組數據進行測試。根據編寫的測試程序，收集運行時所有性能事件的功耗數據，并通過讀取相應的性能事件計數器記錄所有性能事件的發生次數；

3）計算性能事件的發生次數與功耗之間的斯皮爾曼秩相關系數，判斷相關度并選取具有代表性的性能事件；

斯皮爾曼相關系數或稱為斯皮爾曼的ρ，一般用希臘字母ρ_s（rho）或是r_s表示。斯皮爾曼相關系數是一個非參數的度量兩個變量之間的統計相關性的指標，用來評估當用單調函數來描述兩個變量之間的關系的強弱。

在實際計算中，有更簡單的計算斯皮爾曼相關系數的方法。假使原始的數據x_i和y_i被按照從大到小的順序進行了排列，記x’_i和y’_i為原x_i和y_i在排列后數據所在的位置，則可以將x’_i和y’_i稱為變量x_i和y_i的秩次，則d_i＝x’_i-y’_i為x_i和y_i的秩次之差。

若無相同秩次時，相關系數可由下式計算：