摘要： 通过剖析嵌入式系统的工作原理，分别从硬件、软件等各个不同角度来分析降低能源消耗的可行性报告。
关键词： 嵌入式系统；节能；减耗
中图分类号：TP3文献标识码：A文章编号：1671－7597（2011）0720013－02
1 背景
当前嵌入式系统发展迅速，已经融入人们生活的各个方面，PDA、手机、MP3等等都是嵌入式系统。由于电池体积的限制，能源消耗成为了嵌入式系统的一个重要挑战，如何才能有效地利用有限的能源成为一个非常热门的研究课题。
2 节能技术
2.1 电源调度管理
目前单个或多个任务处理单元的调度被认为是达到降低功耗的最常用的方法之一。特别是在轻量级的嵌入式系统中，通过将没有工作的设备关闭，从而达到节能的目的。目前，在轻量级嵌入式系统中，已经提出了几种任务调度的方法，综合考虑了极为有限的能源与环境资源。
动态电源管理（Dynamic power management，DPM）通过关闭未使用的设备以节省电力。研究表明，通过电源管理可以节省超过50％的电力。电源状态的改变由电源管理器（power manager，PM）决定；电源管理器开启一台设备以响应服务请求，或关闭它以节省电力。状态的变更需要时间和能源；因此，一个设备只有在能够睡眠足够长的时间以补偿其状态变更时所牺牲的性能和能源开销的情况下才会被关闭。
以往的一些调度技术集中在处理器或实时系统。这些算法只能处理一个服务提供者--处理器；目前还不能将其扩展到多种设备。
文[1]中提出一个贪婪的在线调度算法，以方便多个设备的电源管理，并且还展示了如何将其融入现有的系统中。除了节省电力，任务调度的另一个好处：聚集空闲时间减少停机，因此将减少状态转换延迟的数目。与传统的调度算法不考虑电源管理相比，模拟结果表明，该算法可以节省33％的电力，并减少40％的过渡延迟，并且适用于交互式系统。[1]
文[2]介绍了在使用电池作为能源的分布式实时嵌入式系统中的电池感知状态调度。作者提出两个电池感知静态调度计划。第一个是优化了放电功率配置文件，以便最大限度地提高电池的容量利用率。第二个着眼于分布式电压可伸缩（PES）的处理单元组成的系统。它让可变电压通过有效的空闲时间重新分配，这有助于降低平均放电功率消耗，同时使得放电功率曲线变得平缓。其实验结果表明，电池寿命通过优化放电功率文件本身可以获得高达29％的增长。[2]
2.2 软件电源优化
软件构成了当今嵌入式系统的主要组成部分。在传统的处理器中，处理器指令的规模决定了电源消耗的规模。电源管理软件也给设计人员提供了电力方面的优化方案。常见的技术包括代码压缩和编码。
在电子系统中，能源主要消耗在交互活动中。而交互活动的能源消耗很大程度上取决于运行在这些系统上面的软件。在文[3]中，作者考虑能源的消耗问题，对于一些指令调度算法进行了评估。作者首先从性能和能源消耗这两个角度比较了三个能源为导向的指令调度技术。然后，提出了三种调度算法。通过这些调度技术试验表明，同时考虑能源消耗和性能的调度技术是可行的，也就是说，这些技术既能够减少能源消耗，同时他们的性能表现也能够同以纯性能为导向的调度相媲美。作者也分析了在构建低能源消耗指令方面的困难和挑战。仿真结果表明，与以性能为导向的调度算法相比，以降低能源消耗为导向的调度算法能够降低高达30％的能源消耗。[3]
便携式多媒体播放器是嵌入式系统的典型应用之一。由于体积的限制和便携的考虑，多媒体播放器的续航能力一直是广受关注的一个话题。这对于厂商提出了很高层次的要求。在文[4]中，作者提出了一个工具流程——SymSoft，能够自动实现能源密集型算法优化结构与能源使用符号代数分析相结合的技术。SymSoft用于优化和调整MPEG Layer III（MP3）的音频解码器的算法。结果表明，该工具降低了指令数量和访问内存的次数，从而降低了系统功耗。[4]
2.3 降低通信功耗
在芯片内的总线上的通信以及设备之间的无线通信往往是一个芯片功耗的主要来源。总线编码和编码技术可以用来减少能源消耗的同时，增加数据的吞吐量和延迟方面的性能。无线通信在轻量级嵌入式系统通信总能耗中占主导地位。无线通信与传统的网络之间的主要区别在于部署的元素数目，它们的功率限制，他们的流动性水平等等。
文[5]介绍了一种嵌入式处理器指令总线低功耗编码框架。编码器编码的调整，最大程度的减少了指令总线上的线位过渡。能源消耗不仅来自于单独总线上的活动变换，而且还包括在各个相互连接的总线之间的活动切换。大量实验结果表明，通过改变总线上的活动可以使得总线上的能源消耗降到原先的80%，如果考虑到总线之间的效应，能源消耗将进一步降低，变为70%。[5]
在低功耗需求的路由协议的移动网络的设计中，必须考虑到节点在寻找路径的发现阶段所需的路由路径可能会使用大量的电力。此外，在以往的对低功耗路由协议的研究中，路径带宽往往没有考虑。本[6]中，作者提出一个低功耗低请求路由（LRR）的协议来找到一个高带宽路径，从而解决这个问题。通过低的路由请求（RREQs），移动节点使得只有当他们第一次收到路由请求时，才广播路由请求。在路径回复阶段，移动节点使用的路径中找到了他们邻居的位置信息收集和传递模型，作者提出了修改发现路径，以便找到的路径具有较高的带宽。此外，作者还比较了最小功耗路由协议（即在所有路径中选择一个具有最小功耗的协议）和LRR路由协议以上几个方面的区别。从模拟结果和分析可以看到，使用LRR路由协议，它使用的路由请求数量低，通过采用中继模式来提高路径带宽，可以有效地降低整体功耗。[6]
2.4 降低安全功耗
安全协议主要涉及复杂的计算和广泛的交流。这一挑战变得更加轻便的关键主要是在于嵌入式系统的处理能力以及通信带宽的限制。由于在许多应用中数据传递的复杂性、敏感性以及环境的不确定性，在轻量级嵌入式系统的安全协议是必不可少的。但是，将传统的安全协议用于轻量级嵌入式系统中时，由于引入了嵌入式系统的资源限制，从而必不可少的产生了一些障碍。更确切地说，这些障碍包括存储空间不足，缺乏强大的计算单元，缺乏低带宽的通信基础设施，以及电力资源的限制。因此提出了许多低能耗的安全协议。
文[7]中，作者提出了集成在低功耗的分布式的无线网络环境下的微聚合（Tiny Aggregation，TAG）服务。TAG服务允许用户使用简单的，声明式的查询，并让它们能够高效地在低功耗无线传感器网络中分布和执行。[7]
2.5 降低显示功耗
轻量级嵌入式系统中，与用户的互动是必不可少的，其主要方法就是通过屏幕显示。在显示器的背光源消耗了相当一部分能源。这个问题在能源及其有限的轻量级嵌入式系统中更加关键。因此，这个问题已受到了研究人员的重视。已经有许多减少功率的显示技术被提出，包括低功耗图形用户界面（GUI）和低功耗的人机交互。
LCD（液晶显示器）是手持嵌入式系统的标准显示设备。一个液晶显示系统是由液晶面板，帧缓冲存储器，液晶和帧缓冲控制器，逆变器和背光灯组成。他们的耗电量都比较大，在进行人际交互时更为严重。这是因为互动的应用程序通常由人的输入引发，从而导致CPU和内存系统的延迟，而这段时间可以有效地由动态电源管理。在文[8]中，作者引入一个系统级的低功耗液晶显示方案。作者开发了诸如可变频率刷新，动态色彩深度控制和补偿，亮度和对比度增强背光亮度变暗的几种技术分别降低功耗。通过实验证明，当运行一个文件浏览器时，可以节省约28％的总功耗。[8]
近年来，手持电脑，平板电脑大量兴起，对于这类设备而言，通过GUI来进行的人工交互是能耗最大的部分。文[9]的作者研究了三种不同的三个手持电脑图形用户界面平台。研究显示图形用户界面在能源消耗方面占据很大的比例。[9]
2.6 降低数据管理功耗
由于对大多计算模块而言能源并没有限制，因此数据管理的功耗并不是研究者的一个主要的研究焦点。然而，有限的能源，供应不足的处理器，小的内存容量，耗电的人机交互和低宽带的通信基础设施构成了与物理环境紧密相连的系统在数据管理方面的各种挑战。几个树为基础的和多路径为基础的查询聚合技术已经被提出。也有研究人员提出了将两个方法相结合用于进行数据管理。总体而言，研究人员已经提出了一些在低功耗分布式嵌入式系统上的数据管理方法，可提高网络数据处理能力。
基于传感器的系统近年来开始兴起，一个重大挑战是开发一种可升级，可容错的方法来从传感器收集的数据中提取有用的信息。对这个数据管理问题的一种方法是使用传感器数据库系统，允许用户在传感器网络的数据中执行族聚查询，例如MIN，COUNT和AVG。另外，可以支持高级查询例如频率计数和分位点估计。由于装置传感器的网络的能量局限，集中化搜集数据通常是不切实际的，多数系统通过网络族聚来减少网络之间的信息流通量。然而，在这些族聚策略与常用容错，多重通道的路由选择法相结合时，仍然会收到带宽限制的影响。为了解决这个问题，文[9]中，作者采用了微映射来近似的描绘网络的聚集。作者提出了在小传感器设备和有限的硬件支持的情况下可以高效率进行复制速写的技术，并且分析了他们的性能和准确性。通过这种数据管理方法，在确保了准确性和性能的同时，也减少了能源的消耗，达到节能的目的。[9]
3 小结
伴随着嵌入式系统的应用范围不断扩大、用户对设备续航性要求的不断提高，对应的节能问题已经是刻不容缓，本文通过在硬件、软件两方面的技术探讨指出了一个节能问题的解决方向，希望能对问题的解决提供帮助。
参考文献：
[1]Yung-Hsiang Lu， Luca Benini， and Giovanni De Micheli. Low-power task scheduling for multiple devices. In CODES"00： Proceedings of the eighth.
[2]Niraj K. Jha， Jiong Luo，“Battery-Aware Static Scheduling for Distributed Real Time Embedded Systems，”Design Automation Conference ：444-449，2001.
[3]A. Parikh， Soontae Kim， M. Kandemir， N. Vijaykrishnan， and M. J. Irwin. Instruction scheduling for low power. J. VLSI Signal Process. Syst.，37（1）：129-149，2004.
[4]A. Peymandoust， T. Simunic， and G. de Micheli. Low power embedded software optimization using symbolic algebra. In DATE "02： Proceedings of the conference on Design， automation and test in Europe：1052，Washington， DC，USA，2002. IEEE Computer Society.
[5]Peter Petrov and Alex Orailoglu. Low-power instruction bus encoding for embedded processors. IEEE Trans. Very Large Scale Integr. Syst.，12（8）：812-826，2004.
[6]Suresh Singh， Mike Woo， and C. S. Raghavendra. Power-aware routing in mobile ad hoc networks. In MobiCom "98： Proceedings of the 4th annual ACM/IEEE international conference on Mobile computing and networking：181-190， New York， NY， USA， 1998. ACM Press.
[7]S. Madden， M. Franklin， J. Hellerstein， and W. Hong. Tag： a tiny aggregation service for ad-hoc sensor networks， 2002.
[8]Inseok Choi， Hojun Shim， and Naehyuck Chang. Low-power color tft lcd display for hand-held embedded systems. In ISLPED "02： Proceedings of the 2002 international symposium on Low power electronics and design：112-117， New York， NY， USA， 2002. ACM Press.
[9]Lin Zhong and Niraj K. Jha. Graphical user interface energy characterization for handheld computers.In CASES "03： Proceedings of the 2003 international conference on Compilers， architecture and synthesis for embedded systems：232-242， New York， NY， USA， 2003. ACM Press.