低功耗水聲遙控技術(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

陳殿杰，李雨桐，陳凡勝

（北京長(zhǎng)城電子裝備有限責(zé)任公司，北京 100082）

0 引言

水聲遙控裝置通過(guò)水聲發(fā)射換能器向水下節(jié)點(diǎn)發(fā)送遙控指令，遙控水下節(jié)點(diǎn)完成指定任務(wù)。其中遙控接收裝置需在水中超長(zhǎng)時(shí)間待機(jī)。對(duì)遙控接收裝置的低功耗設(shè)計(jì)有利于提高用戶的使用感受。現(xiàn)階段水聲遙控裝置低功耗設(shè)計(jì)一般進(jìn)行硬件的低功耗設(shè)計(jì)，在硬件設(shè)計(jì)中，選取性能較高、功耗較低的設(shè)備和模塊，適時(shí)控制電源。在軟件設(shè)計(jì)中，按照可靠性、簡(jiǎn)潔性和標(biāo)準(zhǔn)化的原則進(jìn)行編寫，可大大降低對(duì)硬件的需求。因此采用硬件軟件相結(jié)合、相配合的方法，充分降低系統(tǒng)功耗，延長(zhǎng)水聲遙控裝置通海上運(yùn)行時(shí)間，不僅能夠延長(zhǎng)設(shè)備的使用時(shí)間，而且能夠減少資源的浪費(fèi)。遙控接收裝置的低功耗設(shè)計(jì)主要從 2方面進(jìn)行考慮：1）硬件的低功耗設(shè)計(jì)；2）軟件的低功耗設(shè)計(jì)。軟件低功耗設(shè)計(jì)的最根本原則是在保證程序正確運(yùn)行的大前提下，提高運(yùn)算速度和占用更少的運(yùn)行資源。

本文中的遙控接收裝置低功耗軟件優(yōu)化主要從源級(jí)低功耗優(yōu)化、算法級(jí)低功耗優(yōu)化及編譯級(jí)算法優(yōu)化3個(gè)方面進(jìn)行，以達(dá)到編譯級(jí)匯編語(yǔ)言編寫的程序代碼能夠以最快的速度、占用最少的硬件資源進(jìn)行正確的運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)接收端低功耗的需求。

1 軟件功耗優(yōu)化原則方法及分類

從普遍意義上講，在功耗優(yōu)化這個(gè)問(wèn)題上，研究者普遍比較關(guān)注硬件功耗優(yōu)化，應(yīng)用各種技術(shù)想方設(shè)法改進(jìn)硬件的功耗。比如，在芯片制造工藝上采用更精細(xì)的納米技術(shù)，不斷降低芯片驅(qū)動(dòng)電壓，改變片內(nèi)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等。事實(shí)上，整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行管理是由軟件體現(xiàn)的。在硬件基礎(chǔ)一定的情況下，只有將軟件系統(tǒng)對(duì)能量的損耗降至最小，才能使整個(gè)系統(tǒng)工作于最佳狀態(tài)。軟件設(shè)計(jì)中，所有頻繁調(diào)用的函數(shù)都需要優(yōu)化[1-2]。代碼優(yōu)化是一件非常有意義的事情。優(yōu)化處理是指產(chǎn)生更高效的目標(biāo)代碼所做的工作。目標(biāo)代碼占空間更小、執(zhí)行速度更快。低功耗軟件優(yōu)化的原則是基于阿姆達(dá)爾定律[3]，優(yōu)化經(jīng)常使用的代碼，不經(jīng)常使用的代碼不做較多優(yōu)化考慮（或者完全不優(yōu)化）。

阿姆達(dá)爾定律：

式中：S表示固定負(fù)載情況下描述并行處理效果的加速比；a表示并行計(jì)算部分所占比例；n表示并行處理節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)。

阿姆達(dá)爾定律同樣適合低功耗的軟件優(yōu)化，由此低功耗優(yōu)化的基本原則：1）等價(jià)原則優(yōu)化后不改變?cè)绦蜻\(yùn)行的功能；2）有效原則優(yōu)化后產(chǎn)生的目標(biāo)代碼運(yùn)行時(shí)間較短；3）優(yōu)化后占用空間較小，包括代碼空間和數(shù)據(jù)空間。

一般而言，低功耗的優(yōu)化過(guò)程如圖1。其中：中間代碼優(yōu)化表示與硬件無(wú)關(guān)的優(yōu)化，目標(biāo)代碼優(yōu)化依賴于硬件的優(yōu)化。

圖1 代碼優(yōu)化過(guò)程Fig.1 Code optimization process

根據(jù)以上過(guò)程并結(jié)合遙控接收裝置的自身特點(diǎn)，從算法級(jí)、源程序級(jí)（與硬件無(wú)關(guān)）以及編譯級(jí)（與硬件相關(guān)）3個(gè)方面研究常用的水聲遙控裝置接收軟件低功耗優(yōu)化方法。

2 低功耗優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 算法級(jí)低功耗優(yōu)化

水聲遙控裝置接收端系統(tǒng)如圖2所示，接收裝置獲得遙控信號(hào)后，首先去載波，然后進(jìn)行信號(hào)搜索，搜到信號(hào)后進(jìn)行跟蹤，并進(jìn)行多普勒修正，然后由測(cè)量信號(hào)進(jìn)行信道估計(jì)，根據(jù)估計(jì)的結(jié)果進(jìn)行RAKE接收，解碼后得到輸出的信息。

圖2 遙控裝置接收系統(tǒng)框圖Fig. 2 Block diagram of remote control device receiving system

去載波是接收端所有信號(hào)處理算法執(zhí)行的大前提，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化具有十分重要的意義。首先對(duì)其信號(hào)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，按照傳統(tǒng)的操作，其流程如圖3。

圖3 去載波流程Fig. 3 Carrier elimination flow

去載波的改進(jìn)優(yōu)化可分成數(shù)據(jù)流的改進(jìn)優(yōu)化和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)優(yōu)化2部分：

1）關(guān)于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的改變，進(jìn)行硬件平臺(tái)的低功耗性能優(yōu)化時(shí)，要建立對(duì)內(nèi)存數(shù)據(jù)進(jìn)行操作的概念。先分析內(nèi)存，然后再根據(jù)算法的需要進(jìn)行合理的分配設(shè)置。在本項(xiàng)目中，實(shí)現(xiàn)了真正意義的復(fù)數(shù)結(jié)構(gòu)。去載波的過(guò)程中包絡(luò)數(shù)據(jù)的實(shí)部和虛部分別放到不同的地址中，進(jìn)行后續(xù)的處理。改進(jìn)優(yōu)化后的方案將分開存放包絡(luò)數(shù)據(jù)的實(shí)部和虛部，放到了數(shù)組內(nèi)相鄰的2個(gè)short型中。從內(nèi)存的角度看，這一操作是把數(shù)據(jù)放到了一個(gè) 4字節(jié)的高位和低位，不僅節(jié)約了內(nèi)存，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)存的優(yōu)化，而且使后續(xù)的編譯級(jí)得到優(yōu)化。

2）對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，在原有的算法中硬件中斷到達(dá)的時(shí)刻，將采集到的接收信號(hào)數(shù)據(jù)放到固定的地址，數(shù)據(jù)達(dá)到遙控裝置的1個(gè)信號(hào)周期后進(jìn)行去載波的處理，處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)的解碼計(jì)算。進(jìn)行低功耗優(yōu)化后的數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu)如圖5所示，中斷到達(dá)后直接進(jìn)行去載波處理得到基帶信號(hào)，累計(jì)處理后的基帶信號(hào)達(dá)到1個(gè)周期后再進(jìn)行后續(xù)算法處理。

圖4 優(yōu)化前去載波流程Fig.4 Carrier elimination flow before optimization

圖5 優(yōu)化后去載波流程Fig.5 Carrier elimination flow after optimization

去載波低功耗優(yōu)化的有益效果在當(dāng)下步驟主要體現(xiàn)在程序占用內(nèi)存的大量減少。統(tǒng)計(jì)僅對(duì)去載波部分進(jìn)行比較，不包含程序的其他部分，不進(jìn)行整體比較。在未進(jìn)行編譯級(jí)優(yōu)化及源級(jí)優(yōu)化時(shí)速度的提高，是由于釋放了大量的內(nèi)存，程序可以充分使用片內(nèi)空間，消除了片內(nèi)外讀寫速度的差異，同時(shí)節(jié)省了數(shù)據(jù)搬移的開銷。

要想進(jìn)一步提高遙控接收裝置的抗多普勒、抗多途能力，就要在接收端采取額外措施——多普勒頻率搜索和多途分量的提取，再加上同步信號(hào)搜索和信號(hào)的解擴(kuò)，這將會(huì)帶來(lái)很大量的相關(guān)運(yùn)算。要進(jìn)行低功耗的優(yōu)化，僅僅在編譯級(jí)進(jìn)行優(yōu)化效果不是特別明顯，所以要在算法級(jí)進(jìn)行優(yōu)化。一個(gè)快速算法，對(duì)低功耗性能優(yōu)化有著十分重要的意義。本設(shè)計(jì)中主要采用了快速沃爾什變換代替快速傅里葉變換。

快速沃爾什變換（FWHT）類似于FFT，WHT也有快速算法FWHT，也可將輸入序列f（x）按奇偶進(jìn)行分組，分別進(jìn)行 WHT[4]。FWHT的基本關(guān)系為

WHT是將一個(gè)函數(shù)變換成取值為＋1或－1的基本函數(shù)構(gòu)成的級(jí)數(shù)，用它來(lái)逼近數(shù)字脈沖信號(hào)時(shí)要比FFT有利。同時(shí)，WHT只需要進(jìn)行實(shí)數(shù)運(yùn)算，存儲(chǔ)量比 FFT要少得多，運(yùn)算速度也快得多。沃什-阿達(dá)瑪快速轉(zhuǎn)換圖解與傅里葉快速轉(zhuǎn)換圖解外觀相似，區(qū)別在于完全沒(méi)有復(fù)數(shù)乘法。這種特點(diǎn)在大多數(shù)硬件平臺(tái)上都占有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，其避免了平臺(tái)對(duì)乘法器的需求和依賴。同時(shí)WHT將一個(gè)函數(shù)變換成取值為+1或-1，占用的存儲(chǔ)空間小，為硬件平臺(tái)的低功耗優(yōu)化帶來(lái)了極大的優(yōu)勢(shì)。沃什-阿達(dá)瑪快速轉(zhuǎn)換與傅里葉快速轉(zhuǎn)換相比帶來(lái)的效果增益，使其運(yùn)行速度提高了4.3倍。

2.2 源程序及優(yōu)化

雖然水聲遙控裝置接收部分的軟件部分全部采用編譯級(jí)匯編代碼進(jìn)行編寫，但是在編寫匯編程序之前進(jìn)行了源程序級(jí)的 C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)，然后再進(jìn)行匯編程序的編寫。所以高效的源程序記得代碼編寫及優(yōu)化是十分必要的，也是后續(xù)匯編程序的基礎(chǔ)。

常用優(yōu)化技術(shù)包括：刪除多余運(yùn)算、循環(huán)不變代碼外提、強(qiáng)度削弱、變換循環(huán)控制條件、合并已知量與復(fù)寫傳播、刪除無(wú)用賦值等。這些方法在遙控通信的接收裝置的低功耗性能優(yōu)化中同樣有效。具體實(shí)施可實(shí)例化到堆棧和寄存器的合理利用，避免調(diào)用開銷[5]，局部變量和使用查找表方面。主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1）堆棧和寄存器的合理利用包括：避免或減少使用本地變量，減少函數(shù)參數(shù)的個(gè)數(shù)，盡量避免數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換[6]，全局變量合理分配。

2）避免不必要的開銷包括：避免調(diào)用的開銷，尤其是循環(huán)的合理利用[7]；局部變量的合理使用，應(yīng)該盡可能地不使用 char和 short類型的局部變量；函數(shù)通?？梢栽O(shè)計(jì)成查找表，這樣可以顯著提升性能；減小運(yùn)算強(qiáng)度[6]，非必要情況不采用除法和取余實(shí)現(xiàn)程序；充分利用指令層的并行機(jī)制。

2.3 編譯級(jí)（依賴于硬件）的低功耗優(yōu)化

由于水聲遙控裝置接收部分對(duì)低功耗的要求極高，所以僅僅對(duì)軟件部分進(jìn)行算法的低功耗優(yōu)化及源程序級(jí)的低功耗優(yōu)化無(wú)法滿足需要。雖然軟件部分全部采用編譯級(jí)匯編代碼進(jìn)行編寫，但是在編寫匯編程序之前進(jìn)行了源程序級(jí)的 C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)，然后再進(jìn)行匯編程序的編寫。所以高效的源程序記得代碼編寫及優(yōu)化是十分必要的，也是后續(xù)匯編程序的基礎(chǔ)。

編譯級(jí)的低功耗優(yōu)化主要集中在使用并行指令，用有用的指令（取代 NOP）填充延遲間隙，循環(huán)展開，字長(zhǎng)優(yōu)化（使用LDW）；排流水。

在指令級(jí)并行的機(jī)器上，程序的運(yùn)行速度依賴于：程序中潛在的并行、處理器上可用的并行、從串行程序提取并行的能力、在給定的調(diào)度約束下發(fā)現(xiàn)最佳并行調(diào)度的能力。

指令級(jí)并行時(shí)，通常是一個(gè)處理器在單個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)發(fā)射幾個(gè)操作。而指令級(jí)并行的獲得是通過(guò)使用流水線技術(shù)指令流水線和分支延遲。發(fā)現(xiàn)應(yīng)該執(zhí)行一個(gè)分支而不是直接后繼，轉(zhuǎn)向一個(gè)分支時(shí)會(huì)引起取分支目的地址指令的延遲并引起指令流水線“打嗝”[8]?？梢酝ㄟ^(guò)使用硬件，根據(jù)分支的執(zhí)行歷史來(lái)預(yù)測(cè)分支結(jié)果并從預(yù)測(cè)的目的地址預(yù)取指令。分支延遲不可避免，因?yàn)榉种ьA(yù)測(cè)會(huì)發(fā)生偏差，此部分可以通過(guò)排流水的方法來(lái)解決。此處不過(guò)多說(shuō)明。

NOP指令相當(dāng)于未優(yōu)化，消除不必要的NOP指令，在很大程度上能提高程序的運(yùn)算速度避免不必要的時(shí)序浪費(fèi)[8]。其算法優(yōu)化的沃爾什哈達(dá)瑪變換中的速度提高，本質(zhì)上可以看成是一種有效的去延遲間隙。

在不過(guò)度占用程序空間的情況下，展開循環(huán)來(lái)提高程序的運(yùn)算速度是一種非常有效的方法。

字長(zhǎng)優(yōu)化是指，在對(duì)一段連續(xù)地址內(nèi)存的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算時(shí)，打破常規(guī)的按數(shù)據(jù)類型按址取數(shù)的方法，一次性獲取需要的地址的盡可能多的數(shù)據(jù)量的方法。例如short型數(shù)據(jù)一次獲取2個(gè)或4個(gè)short數(shù)據(jù)再進(jìn)行計(jì)算，取數(shù)只占用一個(gè)指令時(shí)序。在前面涉及的沃爾什哈達(dá)瑪變換就十分適用這種方式。

這種方法可以運(yùn)用到去載波的算法中，大大提高了運(yùn)算速度，在之后的排流水結(jié)構(gòu)中能大大調(diào)高程序的運(yùn)行速度。尤其是在運(yùn)算過(guò)程中，數(shù)據(jù)的讀取及乘法計(jì)算占運(yùn)算時(shí)間的大部分時(shí)間，所以此部分優(yōu)化極有意義。

流水線是一種在時(shí)間上串行，在空間上并行的技術(shù)。將整個(gè)電路劃分為若干個(gè)流水線級(jí)，流水線每級(jí)之間設(shè)置寄存器鎖存上一級(jí)輸出的數(shù)據(jù)；每一級(jí)只完成數(shù)據(jù)處理的一部分；一個(gè)時(shí)鐘周期完成一級(jí)數(shù)據(jù)處理，然后在下一個(gè)時(shí)鐘到來(lái)時(shí)將處理后的數(shù)據(jù)傳遞給下一級(jí)；第1組數(shù)據(jù)進(jìn)入流水線后，經(jīng)過(guò)1個(gè)時(shí)鐘周期傳到第2級(jí)，同時(shí)第2組數(shù)據(jù)進(jìn)入第1級(jí)，數(shù)據(jù)隊(duì)列依次前進(jìn)。每組數(shù)據(jù)都要經(jīng)過(guò)所有的流水級(jí)后才能得到最后的計(jì)算結(jié)果，但是對(duì)整個(gè)流水而言，每個(gè)時(shí)鐘都能計(jì)算出一組結(jié)果，所以平均計(jì)算一組數(shù)據(jù)只需要1個(gè)時(shí)鐘周期的時(shí)間，這樣就大大提高了數(shù)據(jù)處理的速度。

排流水能使關(guān)鍵路徑縮短，從而提高時(shí)鐘速度，或者在同樣速度下降低功耗；同時(shí)流水的并行處理，多個(gè)輸入在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)并行地處理，可使有效速度提高與并行級(jí)數(shù)相當(dāng)?shù)谋稊?shù)，同樣也可以降低功耗。

3 低功耗性能及分析

經(jīng)軟件功耗優(yōu)化改進(jìn)后，在單片機(jī)上進(jìn)行了多次的時(shí)間測(cè)試，測(cè)試條件為相同工作主頻。未改進(jìn)前信號(hào)的去載波、搜索、跟蹤時(shí)間分別為 2.0 s、2.7 s、2.0 s。優(yōu)化后去載波、搜索、跟蹤時(shí)間分別為0.11 s、0.14 s、0.13 s。經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)最長(zhǎng)解碼時(shí)間提高了近20倍。同時(shí)算法對(duì)空間的需求從原來(lái)的8 MB空間的需求降低為313 KB的需要，不需要硬件平臺(tái)提高額外的存儲(chǔ)空間。

優(yōu)化后可以對(duì)硬件進(jìn)行無(wú)外部存儲(chǔ)空間設(shè)計(jì)，并且降主頻正常工作。經(jīng)測(cè)試，原硬件功耗為130 mW，優(yōu)化后約為12 mV，大大降低了平臺(tái)的功耗，相同電池電量的情況下可在海上進(jìn)行更長(zhǎng)時(shí)間的工作。

圖6 低功耗優(yōu)化測(cè)試仿真Fig.6 Low power optimization test simulation

4 結(jié)束語(yǔ)

在水聲遙控裝置項(xiàng)目中，為了實(shí)現(xiàn)接收端的低功耗穩(wěn)定運(yùn)行，項(xiàng)目中采用了編譯級(jí)的機(jī)器語(yǔ)言（匯編語(yǔ)言）進(jìn)行程序的編寫。在過(guò)程中經(jīng)歷了算法優(yōu)化設(shè)計(jì)、源程序優(yōu)化設(shè)計(jì)到將源程序轉(zhuǎn)化成所需的機(jī)器語(yǔ)言并進(jìn)行手工流水的過(guò)程，極大地提高了程序的運(yùn)行速度，降低了程序數(shù)據(jù)空間的占有率，使得在硬件運(yùn)算芯片上實(shí)現(xiàn)算法設(shè)計(jì)成為可能，無(wú)需額外設(shè)計(jì)外掛存儲(chǔ)芯片，大大降低了設(shè)備的功耗。同時(shí)，在同樣的主頻下，運(yùn)行程序的時(shí)間提高了近20倍，這種有利的條件可以使算法程序在一個(gè)更低的主頻條件下進(jìn)行運(yùn)算，對(duì)設(shè)備的低功耗運(yùn)行也是十分有益的。