基于随机Petri网的嵌入式软件能耗模型

传统的软件能耗测量方式是在软件设计完成后进行实际测量从而得到能耗值,不能在软件的设计初期形成一定的数据量为开发做出参考。为此,从体系结构层面对软件进行构件化处理,基于随机Petri网分别对构件、接口、连接件各模块进行建模与分析,构造出嵌入式软件能耗模型ESPN。给出寻找3种能耗路径的方法,根据能耗状态可达图对软件能耗进行预测并求得其确切值。通过实例化分析与设计验证了该模型的有效性。     

嵌入式软件体系结构级能耗建模方法

从软件体系结构层面出发,假设体系结构级软件特征量与嵌入式软件能耗之间存在非线性函数关系(线性函数关系可被认为是一种特殊的非线性函数关系),并以此假设为基础,提出了一种利用BP神经网络在体系结构级估算软件能耗的模型,能耗模型对5个体系结构级软件特征量进行度量,使用BP神经网络拟合出软件特征量与嵌入式软件能耗的非线性函数关系,并通过实验验证了模型的有效性和假设的合理性.     

基于LabVIEW的嵌入式软件能耗测量方法

针对嵌入式软件的运行能耗评估问题,设计一种基于LabVIEW和NI多功能数据采集卡的嵌入式软件能耗测量方法。利用编写的数据采集程序,直接对测量目标的电流电压通道以及用于标记状态的数字通道进行同步能耗数据采集。目标程序被封装成测量单元,通过GPIO端口向数字通道发送状态。该状态用于区别采集到的电流电压数据样本是否为目标程序执行时的样本,并采用近似能耗计算方法处理样本数据。通过对真实平台的能耗测量结果表明,该方法所得测量数据的最大差值保持在0.2 mJ左右,具有较高的精准性。     

嵌入式软件平台的构件化模型研究

为了提高嵌入式软件的生产率,本文提出了一种基于构件的嵌入式软件平台模型CBMESP.CBMESP将软件开发平台与运行平台以统一的构件模型进行构件化,使其可以应用于各种嵌入式领域而不必更改该模型,只需调整构件库中的具体构件即可,具有普遍适用性.因此,CBMESP不但加强同一领域内,也加强了领域之间的重用性.CBMESP强调并提供了开发平台与运行平台（应用软件）统一的基于构件的定制方式,更好满足了嵌入式软件开发的多样性要求;最后,CBMESP根据嵌入式软件特点提出构件模型由三个可以独立实现和运行的部分组成,并解决了各部分之间信息的传递问题,较好适应了嵌入式软件的交叉开发过程和嵌入式系统资源有限的特点.     

构件化嵌入式软件设计模型非功能性质验证的工具实现

嵌入式软件的非功能性质是系统高可靠性的重要构成部分.传统的嵌入式软件可靠性保障技术主要关注于系统开发后期,缺乏有效工具对系统设计的非功能性质进行分析与验证.对基于接口自动机模型的构件化嵌入式软件设计验证原型工具T-CBESD(Tool for Component-based Embedded Software Designs)进行了资源及能耗等非功能性质验证功能的扩展设计与实现,包括:资源接口自动机和能耗接口自动机模型的输入输出接口设计、UML顺序图模型的预处理、带非功能语义信息的组合系统状态空间数据结构的设计、非实时资源使用性质与实时相关能量消耗特征验证算法的实现,以及一个通信构件组合系统的实例应用分析.     

一种嵌入式软件构件模型和构件库

嵌入式系统的快速增长和嵌入式软件复杂度的增长，对嵌入式软件开发技术的提高提出了迫切的要求。软件开发技术正在向半自动化代码生成以及由构件生成系统的方向发展。基于构件的软件开发（CBSD）技术能够显著地减少软件开发的时间和成本。本文首先讨论了一种嵌入式软件构件模型——CMES，该模型定义了嵌入式领域中构件的使用。为了方便构件的管理和查找，本文还设计并实现了一个基于Web的嵌入式软件构件库——WRES。WRES使用刻面分类法提高构件库的浏览和查询效率。     

基于CSP的构件化嵌入式软件能耗分析与评估方法研究

随着嵌入式系统的发展,构件化软件开发技术已成为嵌入式软件开发的发展趋势.嵌入式系统通常是能源有限系统,如何在构件化嵌入式系统开发前期对其能耗进行分析与评估,发现系统能耗特性设计缺陷,从而提高开发效率,降低开发成本,已成为嵌入式系统设计的一个挑战.文中从构件化嵌入式软件体系结构出发,采用基于路径的系统能耗分析评估方法,在嵌入式系统架构设计阶段对其能耗特性进行分析与评估.在此评估体系中,软件体系结构应用进程代数语言CSP进行形式化描述,能耗特性在构件接口级别定义,最终建立了以CSP迹模型为基础的基于路径的系统能耗分析评估模型.文章最后通过案例分析验证了该模型分析方法的正确性和有效性.     

基于即时验证的软件验证工具改进设计与实现

基于设计模型的分析技术是现代复杂嵌入式软件系统高可靠性的重要保障手段.基于即时验证(On-the-flyverification)方法对一个构件化嵌入式软件设计模型原型验证工具T-CBESD进行了改进设计与实现.集成Topcased和JFLAP扩展了T-CBESD图形化建模接口;设计并实现了相关输入处理与转换;重新设计并实现了状态空间数据结构,包括功能、非功能行为(实时、资源、能耗等)验证问题在内的多个基于路径的一致性即时验证算法.给出了改进工具在火灾预警系统中的应用实例与分析.     

基于流程图的嵌入式软件能耗模型

采用基于流程图的能耗模型对嵌入式软件的能耗进行估计,首先以流程图分析C语言程序流,对于流程图中无法体现的能耗以修正值的形式进行补偿,最终建立软件能耗模型。为了验证该模型的可行性,给出实际电路测量方法。实验结果表明,在ADSP21375硬件平台下,该模型软件能耗估计值和实际测量值的误差较小。该方法可以使软件设计者在系统开发初期对能耗进行估计,便于设计合理的程序语句对系统能耗进行优化。     

基于证据推理的嵌入式软件可信性评估方法*

传统的可信性评估模型通常使用软件度量医逻辑验证方法进行定量估计,在应用于体系结构复杂、可信度要求较高的嵌入式软件时,依然存在可信需求不明确、专家主观认知无法集成等问题.在分析嵌入式软件可信需求的基础上,构建一种基于证据推理方法的嵌入式软件可信性评估模型,并定义证据合成算子和效用估算模型以实现多样化可信证据的一致融合与量化.仿真实验验证了该模型在解决嵌入式软件可信性评估问题时的合理性与有效性.     

基于嵌入式软件算法级能耗问题研究

能耗已经成为嵌入式系统设计中一个重要的约束条件.嵌入式系统是典型的软件驱动执行系统,硬件的电路活动直接导致系统参数功耗,而软件中的指令执行和数据存取等操作底层的微处理、总线、Cache、存储器和I/O接口等硬件的活动都会间接的导致系统参数功耗.在现代“低碳经济”的背景下嵌入系统的功耗已经引起人们关注的一个重点.而软件设计早期对高层所作的功率耗评估和优化对整个系统的的能耗影响最为显著.本文通过构建算法级能耗估算模型,并通过实例采用神经网络算法、遗传算法等进行能耗求解,同时在求解过程中进行能耗分析.     

嵌入式软件算法级能耗建模与分析

针对嵌入式软件算法级能耗的优化问题,建立算法级能耗估算模型。以旅行商问题(TSP)为例,采用神经网络算法、遗传算法等进行能耗求解,对求解过程中的算法执行次数、算法复杂度以及运行时间这3个特征值进行能耗分析,通过能耗估算模型计算出算法针对TSP问题的能耗估算值,并将该估算值与使用sim-panalyzer功耗仿真平台求解得到的能耗测试值进行比较,结果表明,能耗测试值与估算值的误差在10%左右,证明该能耗估算模型具有较高的准确性。     

嵌入式系统源程序级软件能耗建模与分析

针对嵌入式系统能耗对各种嵌入式设备工作时长的影响,本文从系统指令级到源程序级的软件能耗考虑,首先通过分析设备源程序级语句的相关特征,基于源程序语句的指令能耗,提出一种针对源程序级的能耗模型,然后基于模型分析对五个经典算法的源程序中不同类别语句进行能耗优化,最后分别对五组经典算法优化前后的能耗比较。实验表明,本模型使得优化后的源程序能耗降低了9.46%-50.29%,达到了降低嵌入式系统软件能耗的目的。     

Energy Metric for Software Systems

Acknowledging the intense requirement for low power operation in most portable computing systems, this paper introduces the notion of energy efficient software design and proposes metrics, for evaluating software systems in terms of their energy consumption. Considering the sources of power consumption in every digital circuit, and the fact that power is primarily dependent on the executing software, appropriate energy measures are derived, which can be extracted from the flowgraph of a program. The proposed measures are computed by applying rules common to the existing hierarchical measures of other internal software attributes, and form the basis for the definition of a software energy metric. This metric can be used in order to determine the level of energy consumption of any software system more efficiently than existing assembly-parsing techniques, with only a limited penalty in accuracy. Application to different implementations of algorithms, drawn from matrix algebra and multimedia, demonstrates the efficiency of the proposed energy metric for comparison purposes, and as an indicator for quality improvement.     

嵌入式软件编译时能耗演化优化算法

编译选项的选择优化为降低嵌入式软件能耗提供了一种可行且有效的解决方案.GA-FP算法将频繁模式挖掘应用到演化过程中并已取得了较好的结果.然而,GA-FP还存在事务表规模较大、频繁选项模式的启发信息不全和时效性不好以及单点变异效率不高的缺点,潜在地影响了解质量和收敛速度.针对这些问题,文中提出一种嵌入式软件编译时能耗演化优化算法GA-MFPM.GA-MFPM借助逐代替换参考点和事务表的机制以降低事务表大小;在此基础上提出可获取更多启发式信息的频繁编译选项挖掘算法,并采用逐代挖掘的策略以保持频繁选项模式的时效性;进一步设计最大频繁模式匹配算法进行多点变异,以提高优化质量和收敛速度.通过与GA-FP在5个不同领域的8个典型案例下实验对比的结果表明:本文GA-MFPM获取了较GA-FP更低的软件能耗(平均降低2.4%,最高降低16.1%)和更快的收敛速度(平均加快57.6%,最高加快97.5%).     

基于频繁模式挖掘的GCC编译时能耗演化优化算法

演化算法通过搜寻GCC编译器最优编译选项集，对可执行代码的能耗进行改进，以达到编译时优化嵌入式软件能耗的目的.但这类算法未考虑多个编译选项之间可能存在相互影响，导致了其解质量不高且收敛速度慢的问题.针对这一不足，设计了一种基于频繁模式挖掘的遗传算法GA-FP.该算法在演化过程中利用频繁模式挖掘得到出现频度高且能耗改进大的一组编译选项，并以此作为启发式信息，设计了"增添"和"删减"两种变异算子，帮助提高解质量和加快收敛速度.与Tree-EDA算法在5个不同领域的8个典型案例下进行对比实验，结果表明，该GA-FP算法不仅能够更有效地降低软件能耗（平均降低2.5%，最高降低21.1%），而且还能在获得不劣于Tree-EDA能耗优化效果的前提下更快地收敛（平均加快34.5%，最高加快83.3%），最优解中编译选项的相关性分析进一步验证了所设计变异算子的有效性.     

软件能耗优化技术研究进展

为了设计高性能低能耗的系统,需要从硬件设计和软件设计两个方面进行考虑,以取得性能和能耗的最佳权衡.研究利用软件技术降低系统能耗的问题,主要探讨系统开发阶段的低能耗软件优化与评估技术.优化技术包括指令级优化、算法级优化与软件体系结构优化3类,阐述在各类优化技术研究中面临的问题和当前的研究工作进展;深入讨论了低能耗软件优化的关键支撑技术——软件能耗估算,指出并分析面向处理器和面向全系统的软件能耗估算面临的主要问题和研究进展;最后展望进一步研究的主要问题和发展趋势.     

嵌入式太阳能闸门控制设备软件设计

为解决地处偏僻且无交流电供电的中小型闸门自动控制的问题,设计一种基于NXP MK60DN512处理器适用于太阳能供电的闸门控制设备。对嵌入式太阳能闸门自动控制系统的总体架构,控制设备的硬件组成、选型、主控芯片的选择、软件功能设计,软件工作流程,各主要软件模块的实现方法,软件控制降低闸门控制设备的运行功耗,提高监控图片的传输效率等方面进行研究,并在不同灌区进行应用试验,结果表明:嵌入式太阳能闸门自动控制系统运行稳定,测量精度高,既满足远程控制的需要,又适应现场控制的要求,可为远程安全精准控制闸门提供保障。