利用數字功率表對計算機軟件功耗的測量與分析

劉廣文

（安徽省合肥市第八中學，合肥230071）

利用數字功率表對計算機軟件功耗的測量與分析

劉廣文

（安徽省合肥市第八中學，合肥230071）

程序運行能耗分析是計算機節能技術的研究熱點。本文利用數字功率表，對筆記本電腦上不同軟件運行的功耗進行實時測量，包括電腦啟動、硬盤讀寫、外圍輸入/輸出設備訪問、網上沖浪、軟件壓縮、多媒體播放和辦公軟件運行等，并對測量數據進行對比分析，以提醒人們增強節能環保意識。

計算機；軟件；功耗；測量；節能

目前，計算機系統的能耗占到全部電力消耗的12%［1］，美國研究機構Gartner對用戶電腦能耗進行計算后形象指出：我們每Google一次，耗能相當于燒開半壺水。IT作為耗電的“主力軍”已在呼喚節能和環保［2-3］。綠色計算(green computing)是本著對環境負責的原則使用計算機及相關資源的行為，即充分利用計算機先進的軟件和硬件技術，提高計算機運算效率，減低其工作負載，減少計算機系統的數量，進一步降低系統配套電源能耗［4］。

在計算機的傳輸耗能與運行能耗中，PC所占比例最高。降低計算機系統的能耗主要有［5-6］：第一，硬件技術。第二，軟件技術。第三，使用習慣和規矩。程序運行能耗分析是綠色計算、高效能計算的研究熱點。本文將利用功率表，實測一些常用軟件運行的實時功耗，并對測試數據進行分析，以具體數據喚起人們增強計算機使用的節能環保意識。

1　測試設備與測試條件

表1　筆記本電腦主要配置參數Tab.1 Laptops main configuration parameters

測試電腦采用聯想E680A和聯想K29兩臺筆記本電腦，其主要配置參數如表1所示。測試功率表是以ADE 7169電能計量芯片為核心組成的數字功率表（如圖1所示），其精度為0.5級。此外，還必須對功率表的輸入/輸出端口進行改裝，即其輸入端口與筆記本的穩壓電源（約19V）連接，其輸出端口與筆記本的電源插孔連接，功率表與電腦的連接如圖2所示。測試時功率表數據采集間隔為2s。

測試運行的軟件除預裝的正版Windows操作系統外，還準備正版的MSOffice2003，MS MediaPlayer10.0，暴風影音播放器5，IE10與相關的Office和多媒體文檔。在進行軟件功耗測量時要求：第一，將筆記本電腦的電源智能管理功能關閉，或者設為高性能模式，避免CPU頻率自動調整對功耗的影響。第二，在測量過程中保持顯示器亮度不變：E680A的亮度設置為7/9，K29亮度設置為8/15。第三，卸掉筆記本的電池，直接由穩壓電源供電，避免電池充電對功耗影響。第四，在筆記本工作一段時間（5min）后，再進行測量，避免筆記本啟動后，散熱風扇未啟動或已啟動產生的誤差。

圖1　數字功率表Fig.1 The digital power meter

圖2　電腦與功率表的連接Fig.2 Connection for laptop with digital power meter

2　軟件運行實時功耗測量與分析

2.1同一電腦運行不同軟件的功耗對比

完成電腦與功率表的連接，啟動電腦K29，當功率表讀數穩定后，啟動IE10瀏覽器(Ver11.0)，快速打開www.sohu.com，www.sina.com，www.163.com，先后用Windows自帶的MediaPlayer和暴風影音5播放同一音樂，將音量調整到最大。分次測試并記錄功耗，完成一項測試后重啟電腦直到功率表讀數穩定后再進行下一項測試。繪制的功耗曲線如圖3所示。

圖3　K29運行不同軟件時的功耗Fig.3 Power of K29 running different software

從圖3可見，三種程序在打開至最終穩定時都會產生功率的上升，其中MediaPlayer使電腦功耗上升最大為5.5W，而IE瀏覽器和暴風影音5軟件使電腦功耗上升不大，均約為1W。其次，在剛剛打開程序時，IE瀏覽器使電腦產生一個功耗的峰值，并在瞬間達到約32W，隨后很快回落到20W之內，而另外兩款軟件的這個效果相對不明顯，這種功耗峰值的產生可能與程序打開時的準備過程有關。

圖4為K29讀取不同外設時的功耗曲線。可見，設備接入電腦都有一個功耗上升的過程，其中移動硬盤上升最快，光驅次之，U盤最小。在向U盤和移動硬盤寫入文件過程中，再次出現功耗上升，而在光驅播放電影時，功耗也有明顯上升。

圖5為K29進行壓縮和解壓縮文件時的功耗曲線。壓縮過程，功耗增加明顯，約為42W，增加82.6%，同時觀察到CPU占用率上升達到約90%，可見，CPU占用率是功耗大的主因。而在解壓過程中，功耗也增加較大，約為31W，同時觀察到CPU占用率約為30%。從圖中還可看出，解壓過程時間較短，在第15個采樣點就完成解壓，而壓縮過程在第25個采樣點尚未完成，因此壓縮過程功耗累計更大。

圖4　K29讀取不同外設時的功耗Fig.4 Power of K29 reading the various peripherals

圖5　K29壓縮和解壓文件時功耗Fig.5 Power of K29 compressing and decompressing files

2.2兩臺電腦進行相同操作的功耗對比

圖6為兩臺電腦啟動過程的功耗曲線。圖7為兩臺電腦運行Office2003軟件的功耗曲線。K29和E680A在啟動過程中，功耗出現較大起伏，一般都高于穩定時的功耗。K29的穩定功耗約為10W，E680A的穩定功耗約為22W，可見采用新技術的筆記本功耗更小。

圖6　電腦啟動和穩定后的功耗Fig.6 Power of laptops starting up

圖7　打開office文檔的功耗Fig.7 Power of opening office files

從圖7可見，在打開Word文檔時，出現了一個功耗小峰值，然后功耗回落，再打開PPT文檔時，出現了另一個較大功耗峰值，功耗回落穩定后與未打開前有少許增加。文檔在打開時產生了功耗峰值，而峰值的大小與文檔大小，包含的圖片大小有關，文檔越大，含圖越多，功耗峰值越大。

3　結論

本文利用數字功率表，對筆記本電腦上不同軟件運行的功耗進行實時測量。電腦軟件操作引起的功耗，實質上是軟件操作觸發了硬件的處理，并由硬件直接產生了功耗。對本文測試數據的分析可得出如下結論：

第一，軟件運行首先需要加載到內存中，這會涉及CPU的指令運行、內存讀寫和硬盤讀寫操作，所以啟動時都會有一個功耗峰值。

第二，熱插拔設備（主要是USB設備），電腦會安裝驅動，為設備分配資源，所以會產生一個功耗峰值。因此，為低功耗，可在電腦的電源管理軟件中采用輸入/輸出設備（I/O）門控技術。

第三，對于置入后臺的軟件（如打開一個Office文檔），只在打開文檔時產生一個功耗峰值，隨后功耗與之前穩定值相差不大，因此，對于這種后臺軟件不必要立即關閉，但對于打開的網頁，尤其是有較多插件的網頁，當置于后臺時，仍有較大功耗產生，不看時應該盡量關閉。

［1］劉曉.淺析我國計算機能耗對電力消費的影響［J］.中外企業家，2012，（10）：127-128．

［2］過敏意.綠色計算：內涵及趨勢［J］.計算機工程，2010，（10）：1-7.

［3］劉偉榮.計算機電源管理模式與計算機節能及數據安全新研究［J］.科技信息，2011，（10）：239．

［4］郭兵，沈艷，邵子立.綠色計算的重定義與若干探討［J］.計算機學報，2009，（12）：2311-2319．

［5］趙霞，郭耀，陳向群.軟件能耗優化技術研究進展［J］.計算機研究與發展，2011，（12）：2308-2316．

［6］李敬華，賈蓓.高效能軟件開發設計芻議［J］.電信快報，2011，（06）：11-13.

Analysis and Measure of Power Consumption of Computer Running Software by Using Digital Power Meter

LIUGuang-wen
(No.8 Senior High School,Hefei 230071,China)

Program running energy consumption analysis is a research hotspot of computer energy saving technology.The power consumption of different software running on the laptop are measured in real time and analyzed by using the digital power meter and the software,including computer start,hard disk read and writes,peripheral access,surfing the Internet,software compress,multimedia play and office software etc.The purpose ofthis paper is toremind people toenhance awareness ofenergy saving.

Computer;Software;Power consumption;Measurement;Energysaving

TP272

A

1674-8646（2015）09-0050-02

2015-05-28

劉廣文（1997-），男，漢族，安徽合肥人。