基于LabVIEW的嵌入式軟件能耗測量方法

郭真林，桑 楠，江 維，宋元鳳

(電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，成都 611731)

1 概述

隨著綠色計(jì)算概念的提出，原本處于受限環(huán)境的嵌入式系統(tǒng)面臨更加嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。尤其對(duì)于電池供電的嵌入式設(shè)備，如手機(jī)、傳感器、可穿戴計(jì)算設(shè)備等，系統(tǒng)電能消耗已經(jīng)成為影響產(chǎn)品成敗的關(guān)鍵因素之一。隨著服務(wù)需求的多樣化，嵌入式軟件的復(fù)雜度也在急劇攀升，其能耗與性能因素阻礙了嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域的發(fā)展。精確地測量嵌入式軟件能耗是優(yōu)化嵌入式軟件的重要一步。

國外對(duì)于嵌入式軟件能耗的研究比較成熟。在能耗數(shù)據(jù)的測量方面，較多采用先進(jìn)的自動(dòng)化儀器進(jìn)行測量[1-2]。嵌入式處理能耗測量標(biāo)準(zhǔn)EnergyBench，由嵌入式微處理器測試基準(zhǔn)協(xié)會(huì)EEMBC推出，但它沒有公開其詳細(xì)測量方法。國內(nèi)雖然針對(duì)嵌入軟件的能耗研究很多，但關(guān)注焦點(diǎn)在于能耗模型的建立或者是能耗仿真器上面[3-4]。文獻(xiàn)[5]從指令周期層次進(jìn)行建模取得了較好的結(jié)果，但絕對(duì)誤差只能控制在10%以內(nèi)。上述方法難以滿足對(duì)精確能耗數(shù)據(jù)的需求，因此，嚴(yán)重影響了嵌入式軟件能耗相關(guān)研究的正確性與準(zhǔn)確性。

LabVIEW是一種由NI公司推出的可視化軟件編程環(huán)境。通過可視化 VI編程生成的程序與各種相關(guān)硬件配合，可實(shí)現(xiàn)信號(hào)生成、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)采集以及工程控制等各類任務(wù)。雖然基于LabVIEW的各種測量系統(tǒng)已經(jīng)存在很多，但針對(duì)嵌入軟件能耗測量的方法卻沒有得到關(guān)注。因此，本文提出一種能耗測量方案，并詳細(xì)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)了基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集程序。

2 測量方案

圖 1給出了一種典型的嵌入式軟件能耗測量方案。假設(shè)目標(biāo)設(shè)備是TQ2440嵌入式開發(fā)板，配備了三星S3C2440 ARM CPU，并具有64 MB的SDRAM。為了測量電流，核心板上串聯(lián)了一個(gè)很小的定值電阻(6.8 ?)，通過測量其電壓的方式來測量設(shè)備電流。本文采用低端電流測量法，以排除高端共模電壓的影響，從而避免對(duì)設(shè)備產(chǎn)生損壞[6]。測量儀器使用 PXI 1042Q測控平臺(tái)，并配置NI 6221數(shù)據(jù)采集卡以實(shí)現(xiàn)多通道的同步數(shù)據(jù)采集。核心板電壓信號(hào)和定值電阻的電壓信號(hào)連線到接線盒SCB-68中，該接線盒連接到數(shù)據(jù)采集卡上。

本文利用LabVIEW編寫專門的數(shù)據(jù)采集軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)電流電壓通道以及一個(gè)用于標(biāo)記狀態(tài)的數(shù)字通道進(jìn)行同步數(shù)據(jù)采集。被測量的目標(biāo)程序被封裝成測量單元，并通過GPIO端口向此數(shù)字通道發(fā)送狀態(tài)。該狀態(tài)用于區(qū)別采集到的電流電壓數(shù)據(jù)樣本是否為目標(biāo)程序執(zhí)行時(shí)采到的樣本。

圖1 能耗測量方案

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 功率樣本點(diǎn)

數(shù)據(jù)采集儀器周期性對(duì)輸入通道進(jìn)行采樣，設(shè)采樣頻率 f，則采樣周期為 1/T f= 。根據(jù)采樣定理，采樣頻率至少不低于2倍奈奎斯特頻率，即截止頻率2倍或以上才能保證信號(hào)被正確地還原。假設(shè)目標(biāo)電壓和電流信號(hào)同時(shí)被采集到，電壓、電流樣本集分別表示為:

則功率樣本集為:

3.2 功耗近似計(jì)算

如果功率樣本點(diǎn)是按照采樣定理獲得的，那么可以通過這些樣本點(diǎn)恢復(fù)連續(xù)的原始信號(hào)。假定功率樣本為時(shí)間的函數(shù)，()s st= ，則可得到理論上的無誤差功能耗，即功率函數(shù)與時(shí)間的積分為:

由于恢復(fù)原始信號(hào)函數(shù)過于復(fù)雜，且計(jì)算量太大，因此直接對(duì)離散數(shù)據(jù)進(jìn)行一種近似計(jì)算是一種非常有效的方法。以固定周期進(jìn)行采樣，可將功率樣本點(diǎn)看作是以周期T為等間距寬度圍成的矩形的高，如圖2所示。能耗通過下式計(jì)算得出:

圖2 離散矩形近似逼近連續(xù)功率

通過這種方式處理數(shù)據(jù)會(huì)造成一定的誤差，誤差的大小為對(duì)應(yīng)矩形區(qū)的三角邊與功率曲線圍成的面積。如果采集的樣本量非常多時(shí)，可能對(duì)最終的數(shù)值產(chǎn)生很大影響。由于直接計(jì)算這塊面積難度很大，需得到原函數(shù)，因此通過計(jì)算三角形的面積來近似它，則變?yōu)榍筇菪蔚拿娣e和，能耗計(jì)算由式(2)變形為:

很明顯地，采樣頻率越高，越能反映原始的電流與電壓信號(hào)。采樣頻率的設(shè)定一方面取決于測量需求，另一方面取決于數(shù)據(jù)采集卡的采樣頻率。

4 采集程序的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

為支持對(duì)程序中多個(gè)目標(biāo)的數(shù)據(jù)采集，要區(qū)分采到的樣本所屬的對(duì)象，需要增設(shè)一個(gè)對(duì)數(shù)字通道的采集。這只需占用一個(gè)端口線，例如采用 NI 6221的port0/line0[7-10]。嵌入式系統(tǒng)通常具有豐富的 I/O接口，如 GPIO，因此，可選擇合適接口連接到采集卡的數(shù)字通道上。在目標(biāo)程序執(zhí)行時(shí)，可向該端口寫入1，執(zhí)行時(shí)完畢時(shí)寫入0，即可知道樣本所屬對(duì)象的變化。如果進(jìn)行多目標(biāo)的測量，則在發(fā)送一個(gè)低電平時(shí)，插入一定的延時(shí)。這樣，可確保隨后的高電平被采集到。這是因?yàn)椴蓸宇l率低于這2個(gè)操作的時(shí)間會(huì)造成測量目標(biāo)丟失。這種方式的好處是:一旦采集開始后，無需停止，即是一種非浸入干擾的測量方法。電流信號(hào)、電壓信號(hào)和上述的數(shù)字脈沖信號(hào)，三者是以相同的頻率被同步采集的。

圖3說明了對(duì)功率樣本的主要數(shù)據(jù)處理流程。按式(3)進(jìn)行一次計(jì)算需要相鄰2個(gè)樣本，所以，用一個(gè)浮點(diǎn)數(shù)VI(Last Sample)來存儲(chǔ)上一個(gè)樣本。計(jì)算完成后，同時(shí)對(duì)比數(shù)字脈沖是否零，以確定將能耗值寫入文件，否則繼續(xù)迭代，直至處理完樣本。

圖4說明了電流、電壓和數(shù)字脈沖信號(hào)通道的配置方法，這主要體現(xiàn)在對(duì)AI Current、AI Voltage和Digital Input 3種VI的配置。當(dāng)采樣頻率很高時(shí)，需要的緩沖就越大，因此，增加 DAQmx服務(wù)包中的Configure Input Buffer[7]VI到程序中，以方便按需要設(shè)置緩沖區(qū)的大小。為了使三者進(jìn)行同步數(shù)據(jù)采集，將模擬輸入(Anology Input)與數(shù)字輸入(Digital Input)2種通道配置了相同的采樣頻率(VI Sample Clock)。這里采用的是觸發(fā)數(shù)據(jù)采集方式，因此，配置了Start Digital Edge VI接收觸發(fā)信號(hào)。整數(shù)指示器VI Elements指示測量目標(biāo)的個(gè)數(shù)，根據(jù)脈沖的變化次數(shù)來計(jì)算，整數(shù) VI Samples和浮點(diǎn)數(shù) VI Power Consuming分別是當(dāng)前測量目標(biāo)的樣本數(shù)和能耗值計(jì)數(shù)器。

采集到的樣本是分批處理的，從模擬通道中讀出的電流與電壓樣本，直接相乘便得到功率樣本。然后對(duì)功率樣本集進(jìn)行迭代處理，以求得功耗。同時(shí)進(jìn)入for循環(huán)的還有脈沖信號(hào)的樣本，目的是判別功率樣本的有效性。

圖3 功率樣本數(shù)據(jù)處理流程

圖4 同步數(shù)據(jù)采集VI配置流程

圖5指示了for循環(huán)中的CASE結(jié)構(gòu)為真的情況，即脈沖信號(hào)指示高電平1狀態(tài)。這時(shí)按照式(3)計(jì)算功耗值。乘1000是為了將功耗的單位轉(zhuǎn)換為mJ。圖6說明了CASE結(jié)構(gòu)為假的情況，這時(shí)功率樣本直接被丟棄不作任何處理。

如果測量目標(biāo)的樣本數(shù)不為零，則將其功耗值寫入文件，同時(shí)將樣本數(shù)計(jì)數(shù)器、功耗值計(jì)數(shù)器清零。

圖5 數(shù)據(jù)讀取與處理模塊

圖6 能耗數(shù)據(jù)的文件存儲(chǔ)模塊

5 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

為驗(yàn)證測量數(shù)據(jù)的正確性，使用HIOKI 3334-01交直流單相功率計(jì)，針對(duì)圖1中的目標(biāo)設(shè)備進(jìn)行能耗數(shù)據(jù)的對(duì)比測量。

LabVIEW測量的采樣頻率配置為10000 Hz，一次樣本讀取100個(gè)。功率計(jì)的接線方法，將電壓端輸入端子連接到負(fù)載側(cè)。所測得的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 能耗數(shù)據(jù)的對(duì)比測量結(jié)果

通過對(duì)比可以看出，2種方法測得的數(shù)據(jù)非常相近，最大差值也不超過 0.0002，從而驗(yàn)證了本文方法的有效性與準(zhǔn)確性。

6 結(jié)束語

針對(duì)當(dāng)前研究忽略嵌入式軟件能耗測量的現(xiàn)狀，本文分析基于 LabVIEW 的嵌入式軟件能耗測量方案。基于離散電壓、電流數(shù)據(jù)的近似處理方法，設(shè)計(jì)一種精確能耗計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集程序，通過加密軟件的測試驗(yàn)證其有效性。通過儀器對(duì)嵌入式軟件進(jìn)行能耗測量以及數(shù)據(jù)處理方法，為進(jìn)行嵌入式軟件能耗評(píng)估提供一種有效手段。

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