Softwarebaserede signalmarkører på indlejrede systemer – et empirisk studie af SigMark på Raspberry Pi 5

Software-based signaling markers are commonly used to align externally measured power traces with software execution on embedded systems. While typically assumed to incur negligible overhead, the runtime and energy impact of such markers is rarely quantified. This technical report presents an empirical study of the execution-time and energy overhead

introduced by SigMark signaling on a Raspberry Pi 5. Using an externally powered measurement setup and a con- trolled signaling workload, we measured execution duration and total energy consumption while varying the number of

transmitted SigMark messages. The results show that message transmission introduces a deterministic per-message execution- time overhead of 15.3 ms (95 % CI: [15.0, 15.6] ms), leading to a linear increase in execution duration with message count. Total energy consumption increases correspondingly, with an estimated system-level energy overhead of 0.091 J per message (95 % CI: [0.090, 0.093] J).

The observed overhead is stable across repeated measurements and reflects both the direct energy cost of message processing and the additional baseline energy consumed during extended execution time. These findings demonstrate that SigMark signaling overhead is non-negligible on resource-constrained platforms and should be explicitly accounted for when designing external energy measurement experiments.

Index Terms—External Power Measurement, Alignment Signals, Raspberry Pi 5

Projektet skal skabe empirisk dokumenteret viden, der kan anvendes til:

• mere præcise energimålinger af software,
• bedre eksperimentelt design i energieffektivitetsstudier,
• undervisning i energieffektiv softwareudvikling og målemetodik.

Metode og gennemførelse

Projektet er gennemført som et kontrolleret, kvantitativt eksperiment med høj grad af gentagelighed.

Eksperimentelt setup

• Device under test: Raspberry Pi 5
• Ekstern strømforsyning: Siglent SPD3303X‑E
• Ekstern energimåling uden brug af onboard sensorer
• Stabil netværksforbindelse og minimal baggrundsaktivitet
• Raspberry Pi OS (Debian 12, Bookworm)

Eksperimentel procedure

• Et automatiseret workload sender et varierende antal SigMark‑beskeder (0–80) i faste intervaller over en ~80 sekunders måleperiode.
• Hver konfiguration gentages 35 gange for at sikre statistisk robusthed.
• Målinger omfatter både:
  • samlet eksekveringstid
  • samlet energiforbrug (Joule)

Analyse

• Lineære regressionsmodeller anvendes til at estimere:
  • tidsmæssig overhead pr. besked
  • energimæssig overhead pr. besked
• Konfidensintervaller og varians testes for stabilitet og reproducerbarhed.

Projektet dokumenterer, at SigMark‑signalering ikke er energimæssigt negligerbar på Raspberry Pi 5:

• 15,3 ms eksekveringstid pr. SigMark‑besked
  (95 % CI: 15,0–15,6 ms)
• 0,091 J ekstra energiforbrug pr. besked
  (95 % CI: 0,090–0,093 J)
• Overheaden er:
  • lineær i forhold til antal beskeder
  • stabil på tværs af gentagelser
  • et resultat af både direkte signalbehandling og forlænget køretid

Resultaterne viser tydeligt, at signaleringsmekanismen i sig selv kan påvirke de energimålinger, den er tænkt til at understøtte.

Projektets nyhedsværdi og vidensbidrag

Projektet bidrager med kvantitativ og efterprøvbar viden, hvor praksis hidtil har været præget af antagelser.

Nyhedsværdien ligger i:

• præcis måling af signaloverhead på moderne embedded hardware,
• klar adskillelse mellem baseline‑energi og signalafledt energiforbrug,
• dokumentation af, at målemetoden kan påvirke måleresultatet.

Projektet giver dermed et solidt metodisk grundlag for fremtidige studier i energieffektiv software.