时至今日,随着嵌入式技术的快速发展,物联网设备(Internetof Things,IoT)正逐步的融入人们的生活并扮演重要的角色。目前,物联网设备大都采用电池供电的方案,但是电池存在着可维护性和安全性较差等问题,给物联网设备的使用和发展带来了诸多方面的挑战。至此,环境能源收集系统(Energy Harvesting System)因为其可以收集自然能源(太阳能、风能等)并将之转化为电能的特性,已经成为一种安全环保的供电方案替代传统的电池供电方式。但是,这种供电方式面临着一个很大的问题,即环境能源存在着极大的不稳定性。当环境能源不足时,物联网系统的供电可能会被中断。而传统的基于CMOS的处理器在断电后会丢失所有的中间数据。当供电恢复时程序需要重新开始执行,这样会带来额外的时间和能量开销。为了解决这一问题,研究人员将非易失性存储器(Non-volatile Memory,NVM)与传统处理器结合,提出了非易失性处理器(Non-volatile Processor,NVP)这一概念。因为NVM断电后数据不丢失的特性,当断电发生时,处理器中的数据会及时的备份到NVM中;当供电恢复后,系统会回到程序中断前的状态,继续执行。但是,NVM存在着读写耗能大、延迟高等问题,对系统的性能和能量消耗产生了一定程度的负面影响。目前,研究人员主要在关注NVP系统的备份优化问题,旨在减少不必要的能量消耗,增加程序的执行进度,进而提升系统的能效比。但是,目前的研究大都是围绕着整个系统的一部分进行(例如针对内存备份的研究、针对高速缓存的备份策略的研究),缺少从整个系统的角度所进行的研究。因为系统中的各个存储层次的能量消耗的差距是巨大的,这种差异可能会淹没掉只针对某个层次的优化。所以,本文以整个系统的角度提出了一种基于指令分析的NVP系统,旨在提升程序的执行进度和系统的能效比。本文的主要思想为,在指令高速缓存(Instruction Cache,I-Cache)和核心处理器之间加入指令分析电路,用于区分能耗不同的指令,再对比当前电容中的剩余能量,最终指导整个系统的备份行为,以实现最大化利用存储在电容中的能量,增加系统的程序执行进度的目的。同时,由于工艺、成本等因素的限制,在目前的NVP研究中研究人员会使用模拟器进行系统验证。而目前学术界内没有满足本系统要求的NVP模拟器,所以本文开发了灵活可配置的高精度模拟器来验证所提方案的有效性。最后,利用开发的NVP模拟系统,对本文提出的基于指令分析的NVP系统进行了评估验证。结果显示,本文提出的方案与现有的方案相比,平均程序执行进度增加了 24.2%。