（微电子学与固体电子学专业论文）嵌入式存储系统dpm策略研究.pdf

摘要 随着市场对移动计算与存储需求的大规模增长，构建于嵌入式系统之上的各类电子与计算机 系统越来越多，功能与结构的目益复杂也使得系统的功耗不断增长。相当多的嵌入式系统采用电 池供电，降低功耗可以延长一次充电后电池的使用时间，提高产品竞争力。不仅如此，降低芯片 封装与冷却费用、提高系统稳定性与减小能耗对环境影响的考虑也使降低系统功耗成为越来越突 出的需求。存储系统是嵌入式系统中的重要组成部分，一般按照层次化的结构进行组织。研究表 明，嵌入式存储系统中的主存与非易失性存储部件在系统中的功耗比例较大，超过了处理器的功 耗。因此，降低存储系统的功耗成为降低系统功耗的重要环节。 动态功耗管理( d y n a m i cp o w e rm a n a g e m e n t ，d p m ) 是一种系统级功耗优化技术，通过观察 负载情况来有选择性的将系统或部件设置为低功耗模式以降低功耗。d p m 策略的作用对象为功耗 可控部件( p o w e r m a n a g e b l ec o m p o n e n t ，p m c ) ，论文以存储系统中的p m c 为对象，开展适用于 不同软硬件资源条件的d p m 研究，并通过基于事件驱动的仿真实验对策略效果进行评估。 传统d p m 策略直接面向p m c ，主存资源开销较小，适用于资源受限的嵌入式存储系统。预 测性d p m 策略在传统策略中具有实用性与节能效果的较好平衡。论文提出适用于d p m 预测性策 略的模块化结构，提高了策略的通用性与实施的灵活性，并在该结构中首次引入功耗反馈机制， 使预测性策略在节能目标的指引下具有更好的自适应性。嵌入式存储系统中的部件空闲时间常呈 现随机特性，并不符合现有d p m 预测性策略基于空闲时间关联性进行预测的条件。论文据此提 出基于能耗期望( e n e r g ye x p e c t a t i o nb a s e d ，e e b ) 的预测性策略。e e b 根据空闲时间分布确定 获得最小能耗期望的空闲模式，并在p m c 空闲时使其进入该模式。在空闲时间非稳态分布下， 采用滑动窗口法对能耗期望进行动态估计，使e e b 在非稳态环境下也具有较好的节能效果。 在主存资源较为丰富的嵌入式系统中，利用数据缓冲区实现请求集中从而延长p m c 的空闲 时间可获得比传统策略更好的节能效果，称为面向层次化存储的d p m 策略。此类研究中，基于 f i f o 数据缓冲区的策略未考虑嵌入式多任务环境下数据交替与重复访问的特性，造成p m c 的大 量无效读取。论文据此提出基于缓冲区动态分组( 1 y n a m i cg r o u p i n go fd a t ab u f f e r ，d g d b ) 的 功耗管理策略。d g d b 将数据缓冲区划分为块，在运行时以块为单位对缓冲区进行分组，使各任 务在不同分组中保留各自的预读内容，从而避免数据无效更替。当所需数据缺失时，d g d b 进行 具有节能意识的预读，并引入缓冲区块替换算法使数据得以重用，减少对存储部件的访问，从而 带来更长的空闲时间。在此基础上提出基于任务信息( t a s ki n f o r m a t i o n sb a s e d ，t m ) 的层次化 存储d p m 策略。t i b 策略对任务的数据访问模式进一步细分，通过修改存储访问接口获知任务 数据访问的模式，根据不同模式决定预读与替换算法，使策略具有更好的节能意识。 本文设计了基于事件驱动的d p m 系统软件仿真，通过事件模拟出操作请求和系统信息，触 发各部件模拟器的执行。根据对实验统计数据的分析提取功耗和状态模型的参数，准确模拟了微 硬盘功耗和状态的变化，经过模型检验，功耗仿真结果的最大相对误差约为6 5 。基于此的仿真 实验表明，本文提出的预测性d p m 策略在随机环境下具有比传统预测性策略更好的节能效果与 稳定性；而基于数据缓冲区的策略有效克服了现有同类策略的不足，能进一步降低嵌入式存储系 统p m c 的平均功耗，最大降低幅度达到4 6 9 。 关键词：嵌入式存储系统低功耗设计动态功耗管理数据缓冲区 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s e dr e q u i r e m e n t so l lm o b i l ec o m p u t i n ga n ds t o r a g e ，m o r ea n dm o r ee l e c t r o n i ca n d c o m p u t a t i o n a ls y s t e m sb a s e do ne m b e d d e ds y s t e m sh a v ea p p e a r e di nt h em a r k e t t h ec o m p l e x i t yo f f u n c t i o na n ds 妞l c t u r er e s u l t si nh i g bp o w e r m a n ye m b e d d e ds y s t e m su s eb a t t e r ya sp o w e rs u p p l y , s o r e d u c i n gt h ep o w e re x t e n d st h e i ro p e r a t i n gt i m e s f u r t h e r m o r e ，t h ep r o b l e m so nb e a td i s s i p a t i o n , p a c k a g ec o s ta n dr e l i a b i l i t ya n dt h ec o n s i d e r a t i o n sa b o u te n v i r o n m e n tm a k er e d u c i n gp o w e re m e r g e da s o u t s t a n d i n gr e q u i r e m e n t s s t o r a g es y s t e mi sa ni m p o r t a n tp a r to fe m b e d d e ds y s t e m ，w h i c hi sg e n e r a l l y o r g a n i z e da sh i e r a r c h ys t r u c t l l r e r e s e a r c hs h o w st h a tt h em a i nm e m o r ya n dn o n v o l a t i l em e m o r yi n s t o r a g es y s t e mc o n 埘b u t eal o tt ot h ep o w e ro fs y s t e ma n dt h es u m m a t i o no ft h e i rp o w e re v e ne x c e e d s t h ep o w e ro f c p u a sar e s u l t r e d u c i n gt h ep o w e ro f s t o r a g es y s t e mi sak e yt os y s t e mp o w e r d y n a i m cp o w e rm a n a g e m e n t ( d p m ) i sas y s t e m - l e v e lp o w e ro p t i m i z a t i o nt e c h n i q u e a c c o r d i n gt o t h eo b s e r v a t i o n so fw o r k l o a d d p ms e l e c t i v e l yp u t st h ec o m p o n e n t si n t ol o wp o w e rm o d e st or e d u c i n g t h ep o w e r p o w e rm a n a g e a b l ec o m p o n e n t ( p m c ) i st h eo b j e c to fd p m ，w h i c hi sp r o v i d e dw i t hs e v e r a l c o n t r o l l a b l el o wp o w e rm o d e s ，t a k i n gt h ep m ci ns t o r a g es y s t e ma so b j c o t , t h i sp a p e rp u t sf o r w a r d d p mp o l i c i e sw h i c ha r ef i tf o rd i f f e r e n tc o n d i t i o n so fs y s t e mr e s o u r c ea n de v a l u a t e s t h ep o l i c i e sb y s i m u l a t i o n sb a s e do nm e a s u r e dp a r a m e t e r sa n de v e n t - d r i v e nm e c h a n i s m t r a d i t i o n a lp o l i c i e sa c t0 1 1p m cd i r e c t l y , w h i c ha l ef i tf o rs o u r c el i m i t e ds y s t e m p r e d i c t i v e p o l i c i e sh a v eb a l a n c e i ne f f e c ta n da p p l i c a b i l i t ya m o n gt r a d i t i o n a l p o l i c i e s t h ep a p e rp r o p o s e s m o d u l a r i z e ds t r u c t u r ef o rp r e d i c t i v ep o l i c i e sw j t hp o w e rf e e d b a c km e c h a n i s m , w h i c hc a l la d j u s t p a r a m e t e r so f p o l i c i e s ，m a k i n gp o l i c i e sm o r ea d a p t i v e i d l et i m e so f p m ci ne m b e d d e ds t o r a g es y s t e m a r eo f t e ns t o c h a s t i c ，m a k i n ge x i s t i n gp r e d i c t i v ep o l i c i e sw h i c hb a s e0 1 1c o r r e l a t i o n so fc o n s e c l l t i v ei d l e t i m e sn o n e f f e c t i v e t h ep a p e rp r o p o s e se n e r g ye x p e c t a t i o nb a s e d ( e e b ) p r e d i c t i v ep o l i c y , w h i c hs e l e c t s p m cm o d ei nt h a tt h ee n e r g ye x p e c t a t i o no fi d l et i m ei sam i n i i m u n u n d e rt h e n o n s t a t i o n a r y d i s t r i b u t i o n so fi d l et i m e ，e e ba p p l i e ss l i d i n gw i n d o w st oe s t i m a t i n ge n e r g ye x p e c t a t i o n h is y s t e m sw i t hl a r g em e m o r y , s t o r a g eh i e r a r c h yo r i e n t e dd p m ，w h i c hu s e sb u f f e rt op r o l o n gi d l e t i m e ，c a l la c h i e v el o w e rp o w e rt h a nt r a d i t i o n a ld p mp o l i c i e s i nt h e s es t u d i e s ，p o l i c i e sb a s e do nf i f o b u f f e rd on o tc o n s i d e ra c t u a ld a t aa c c e s s r e s u l t i n gi ni n e f f i c i e n tu s a g eo f b u f f e r t h ep a p e rp r o p o s e sa n o v e lp o l i c yb a s e do nd y n a i m cg r o u p i n go fd a t ab u f f e r ( d g d b ) ，w h i c hd i v i d e sb u f f e ri n t ob l o c k sa n d g r o u pt h e mf o rd i f f e r e n tt a s k st os t o r a g ep r e f e t c h e dd a t a ，r e d u c i n gt i m e so fi n v a l i dr e p l a c e m e n t s d g d b sr e p l a c e m e n ta l g o r i t h mm a k e si tp o s s i b l et h a td a t ac o u l db er e u s e d ，s op m ch a sl o n g e ri d l e t i m et of u r t h e rs a v i n ge n e r g y m o r e ，t h ep a p e rp r o p o s e st a s ki n f o r m a t i o n sb a s e d ( t i b ) p o l i c yf o rs t o r a g e h i e r a r c h yo r i e n t e dd p m t ms u b d i v i d e s 血ed a t aa c c e s sm o d eo f t a s k sa n di n 打o d c 部t h e mi n t 0p o l i c y b ym o d i f y i n ga c c e s si n t e r f a c et om a k ep r e f e t c h i n ga n dr e p l a c o m e n ta l g o r i t h mm o r ee n e r g ya w a r e t h i sp a p e rd c s i g n se v e n t - d r i v e nd p ms i m u l a t i o no fs o f t w a r e ，w h i c hs i m u l a t e sr e q u e s t sa n ds y s t e m i n f o r m a t i o nb ye v e n ls i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tp r e d i c t i v ep o l i c i e sp r o p o s e di nt h i sp a p e rh a v eb e t t e r e f f e c to np o w e rs a v i n ga n ds t a b i l i t yt h a nt r a d i t i o n a lp r e d i c t i v ep o l i c i e si ns t o c h a s t i ce n v i r o n m e n ta n d p o l i c i e sb a s e do nb u f f e ri nt h i sp a p e rs o l v ep r o b l e m si ne x i s t i n gp o l i c i e s f u r t h e rl o w e r i n gt h ep o w e ro f p m ci ns t o r a g es y s t e m w h i c hr e d u c e4 6 9 e n e r g yc o n s u m p t i o nm o s t k e y w o r d s ：e m b e d d e ds t o r a g es y s t e m , l o wp o w e rd e s i g n , d y n m n i cp o w e rm a n a g e m e n t , d a t ab u f f e r n 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示了谢意。 研究生签名_ 恝垫日期：研究生签名_ 趁垫日期： 7 - ：7 1 0 弓。 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文 的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档 的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借 阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东 南大学研究生院办理。 弘 研究生签名宓骛师签名7 东南大学博士学位论文 1 1 课题研究背景 第一章绪论 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、 可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。随着市场对移动计算与存储需求的大 规模增长，随着集成电路技术、电子设备制造技术与计算机技术的飞速发展，构建于嵌入式系统 之上的各类电子与计算机系统越来越多，功能与结构越来越复杂，也使得系统的功耗不断增长。 嵌入式系统的设计者越来越把降低系统功耗当成一种新的挑战。该挑战源于以下原因： 相当多的嵌入式设备，尤其是手持与便携式设备采用电池供电，而电池容量相对有限， 在这些设备中也不可能采用过大容量的电池供电，因此需要通过降低设备功耗延长一次 充电后的设备使用时间，提高产品竞争力； 半导体工业的迅速发展在使系统集成度和时钟频率得到显著提高的同时也导致了系统功 耗的急剧上升，这将带来热量释放的问题，而且也给设备的封装费用和稳定性带来了巨 大的影响【2 】； 电池技术的发展速度严重滞后于系统功耗的增长速度：在最近3 0 年中电池容量只增长了 4 到8 倍，而相同时间范围内数字i c 运算能力的增长却超过了4 个数量级【3 】。降低系统 功耗可以弥补电池技术发展的不足，适应嵌入式系统的发展需要； 能量价格的上浮、绿色电器的深入人心以及人们对环境问题的关注程度越来越高【4 】，也 进一步表明了降低系统功耗的重要性。 计算机系统中，存储系统( s t o r a g es y s t e m ) 是一个重要的组成部分。存储系统是那些用来长 时间存储大量数据信息的计算设备的集合。它通常包含多种存储媒质，这些媒质能在成本，性能， 可靠性，存储密度以及功耗方面提供不同程度的折衷。存储系统包括用于存储数据信息的硬件设 备，用于数据信息传递的媒介以及对硬件进行控制、对数据进行组织管理的软硬件模块【5 】。由于 需要较大的存储容量与较低的单位存储价格，因而通常希望使用为大容量存储提供的存储器技术； 但为达到性能要求，又需要使用昂贵的、容量相对较小而具有快速存取时间的存储器。解决这一 矛盾的办法是：不依赖于单一的存储器部件或技术，而是使用存储器的层次结构( s t o r a g e h i e r a r c h y ) 。图1 - 1 给出了存储器的层次结构。 图1 - 1 存储器的层次结构 寄存器与c a c h e 一般位于芯片内部，在程序运行时其中存储的内容变化极快且容量极小。而 存储系统是指用来长时间存储大量数据信息的计算设备的集合，因此寄存器与c a c h e 并不属于存 - 1 一 次 1据l 1冁l 存 第一章绪论 储系统之列。随着半导体技术的飞速发展，d r a m 的容量越来越大，几百m 甚至l g 字节容量的 d r a m 目前已广泛应用于各类计算机系统中，因此，主要由d r a m 构成的主存储器也已经可以 归入存储系统的范畴。在存储器层次结构中，主存储器以下的两个层次更是存储系统的重要组成 部分。 嵌入式系统的特殊性决定了其存储系统也具有较为显著的特点。由于功耗、体积等的限制， 闪存、存储卡等设备经常作为主要的非易失存储器存在于嵌入式系统中，然而这类设备的存储容 量仍然受到一定限制。随着市场对移动计算与海量存储需求的日益迫切，硬盘设备，尤其是微硬 盘已越来越多的应用于嵌入式系统中。与大容量闪存相比，微硬盘的最大优势在于其巨大容量， 但由于内部采用的是硬盘结构，机械结构精密复杂，稳定性和易用性不如闪存与存储卡，而且发 热量和耗电量相对较大，在传输速度与可靠性方面也稍显逊色，不过厂商采用了很多新技术来改 善这些缺陷。由此可见，在嵌入式系统中，闪存与微硬盘仍将占据不同容量的市场，互补共存。 在某些嵌入式系统中，甚至没有非易失存储器，而直接使用主存储器存储数据。如r a m d i s k 。磁 带、w o r m 等设备一般用作数据备份，极少出现在嵌入式系统中。因此，嵌入式存储系统位于存 储器层次结构的中间，即图1 - 1 中粗线条边框所标记的部分。 图1 2 笔记本电脑中各子系统占总功耗的比例 过去的研究工作将重点放在如何降低处理器功耗上。而当前大量研究表明，嵌入式系统中， 处理器能耗在总能耗中所占比例有限，各类存储器件与设备往往是系统能量消耗的主要因素。在 面向影像、视频等的应用中，能耗的主要来源并非数据通路和控制器，而是对存储器的频繁访问 6 1 1 7 文献闱的研究表明，在具有硬盘的计算机系统中，硬盘消耗了超过2 0 的总能量。文献【8 l 给出了笔记本电脑中各子系统功耗在总功耗中所占比例，结果如图1 - 2 所示：系统中功耗最高的 是显示系统，但硬盘与存储器的总功耗超过系统总功耗的2 0 ，仅次于显示系统，超过了c p u 功耗。表1 1 列出了东南大学国家专用集成电路系统工程技术研究中心开发的p i m p ( p o r t a b l e m e d i ap l a y e r ) 系统平台上各部件的功耗情况。a c t i v e 状态时。系统播放视频文件；i d l e 状态时， 系统不运行任何程序，且背光关闭。在两种状态下：微硬盘的平均功耗都是最高的：s d r a m 平 均功耗所占比例也较高，在i d l e 状态下超过了处理器的平均功耗；存储系统的总功耗已远远超出 各其他子系统的功耗。闪存往往被认为是功耗较低的非易失存储器件，然而对其进行写操作的功 耗要远远高于对其进行读操作的功耗1 9 。读写功耗的差异性使得在写操作所占比例较高的应用场 合，闪存功耗并不能被忽视。从以上分析不难得出结论：嵌入式系统中，存储系统功耗在总功耗 中所占比例较大，降低存储系统功耗对于降低系统整体功耗至关重要。 动态功耗管理( d p m ，d y m m i cp o w e r m a n a g e m e n t ) 是一种系统级功耗优化技术。d p m 通过 2 东南大学博士学位论文 表1 1p m p 系统运行时各部件功耗及在总功耗中所占比率 系统a c t i v e 状态系统i d l e 状态 平均功耗在系统中平均功耗在系统中 l 证稍 所占比例 | 强w 所占比例 处理器( i n t e lx s c a l ep x a 2 5 55 4 62 2 6 1 2 1 1 4 5 4 0 0 m h z ) 主存( w i n b o n d w 9 8 2 5 1 6 c h 7 5 l 3 9 6 1 6 4 1 9 32 3 1 2 共6 4 mb y t e s ) 3 5 ”l c d 触摸屏 7 73 2 7 7 9 2 背光 3 5 41 4 7 0 0 0 1 8 ”微硬盘( h i t a c h it r a v e l s t a r 7 l l2 9 4 3 2 5 3 8 9 c 4 k 4 0 - 2 02 0 g ) 其他3 3 11 3 7 1 1 91 4 3 总功耗 2 4 1 58 3 5 观察负载情况来有选择性的将系统或设备设置为低功耗模式以达到降低功耗的目的。功耗优化技 术分为多个层次，相对较低层次的技术( 如电路级、结构级) 而言，系统级的技术能够充分利用 应用层的信息，从而更好的利用负载情况降低功耗【lo 】。 为了适应低功耗的需求，越来越多的设备支持多种功耗模式，为d p m 的实施提供了必要条 件。本文研究的嵌入式存储系统中，微硬盘是典型的多模式设备，不同的模式提供了性能与功耗 的不同折衷；d r a m 与闪存器件也具有多种功耗模式。这些特性使得系统设计者可以通过d p m 技术降低嵌入式存储系统中的设备功耗。 随着嵌入式o s ( o p e r a t i n gs y s t e m ，操作系统) 技术的飞速发展，越来越多的嵌入式系统开 始使用o s 管理软硬件资源。这为系统级功耗优化技术提供了比以往更为丰富的技术手段。各种 d p m 策略可以方便的通过o s 从系统获取所需信息，在不显著影响系统进程正常运行的前提下对 信息进行加工，并通过驱动程序控制设备的功耗状态【l ”。业界也为动态功耗管理的实施制定了工 业标准。如早期的a p m ( a d v a n c e d p o w e r m a n a g e m e n t ) ”j 以及1 9 9 6 年由i n t e l ，m i c r o s o f t 与t o s h i b a 共同提出的a c p i ( a d v a n c e dc o n c i g u r a t i o na n dp o w e ri n t e r f a c e ) i t 3 ，都已在不同时期的主流o s ( 如w i n d o w s ，l i n u x 等) 中得到支持。a c p i 是目前较为流行的标准。a c p i 允许设备厂家、o s 设计者、设备驱动开发者使用同一个标准接口，而与a c p i 兼容的设备也能够正确响应a c p i 调 用，如参数设置、工作状态的查询等。因此，嵌入式系统中日益丰富的软件资源使系统设计者可 以方便、灵活的在存储系统的各个层次实施面向存储设备的d p m 策略，有效降低存储系统功耗。 1 2 论文的主要工作与创新点 从以上的论述可以看出，嵌入式系统中，存储系统的功耗已成为值得关注的焦点问题，降低 存储系统功耗对于系统低功耗设计意义重大。系统级的功耗优化技术已成为一个十分活跃的领域， 这其中，d p m 技术可以在系统运行时根据负载的变化调整设备状态以获得动态的功耗优化，适用 于具有多种功耗模式的设备。本文以国家专用集成电路系统工程技术研究中心p m p 系统为平台， 以嵌入式存储系统中具有典型功耗特性的设备为研究对象，研究适用于此对象的d p m 模型、策 略及评估与实施方法，以降低存储系统运行时的平均功耗。 3 一 第一章绪论 1 2 1 论文的主要工作 本文的主要工作可以分为以下三个方面： 建立适用于嵌入式存储系统的d p m 策略模型以及基于模型的策略评估方法 对嵌入式存储系统中功耗可控部件的工作模式进行建模，描述模式特性以及转换关系，并据 此建立部件功耗模型，描述部件工作时的功耗；d p m 策略的实施依赖于策略与部件服务请求的相 互作用，本文针对不同类型策略的需求建立服务请求模型；为基于缓冲区的d p m 策略建立描述 缓冲区功耗的模型。提出基于该模型的策略仿真方法，并以微硬盘为例，通过在p m p 系统平台上 的测试对模型以及该仿真方法的正确性与精度进行检验。提出适合于本文研究的d p m 策略评估 方法与指标。通过仿真方法，可以对d p m 策略运行过程进行仿真，并给出相关指标用以评估策 略效果；仿真过程利用c c + + 语言在p c 上实现，大大减少了实验时间，并将部件模式切换对使 用寿命造成的影响减小到最低。该仿真方法的另一个意义在于可以为设计提供参考和指导。其中， 硬盘空闲模式下的模型检验部分工作是与实验室同课题方向的另一位博士研究生共同完成，而本 文的仿真工具是在实验室已建立的同类功耗仿真工具的基础上针对本文研究修改后得到。 面向存储系统中单设备的预测性d p m 策略研究 在软硬件资源受限的嵌入式存储系统中，亟向单设备的d p m 预测性策略有其自身优势。在 对现有d p m 预测性策略的问题进行分析的基础上引入功耗反馈机制，提出适用于d p m 预测性策 略的透用结构。对现有d p m 预测性策略在嵌入式存储系统随机服务请求环境下存在的问题进行 研究，提出基于空闲时间的能耗期望进行预测判断的策略，拓展了预测性d p m 策略在嵌入式存 储系统中的适用范围。 基于缓冲区的层次化存储系统d p m 策略研究 在主存资源充裕的嵌入式存储系统中，利用数据缓冲区集中对高功耗存储部件的服务请求可 以有效降低功耗。本文考虑嵌入式系统多任务环境下的数据访问特性，对数据缓冲区进行分块， 在运行时以块为单位为不同任务分配不同尺寸的擐优化缓冲区：引入具有节能意识的数据预读与 缓冲区块替换机制并在任务信息的指引下利用该机制使策略具有更好的节能效果。 1 2 2 论文的创新点 本文工作的创新之处体现在以下三点： d p m 预测性策略中的功耗反馈机制 传统的d p m 预测性策略往往通过提高预测精度来获得更好的效果，而忽视了功耗这一本质 目标。本文提出针对d p m 预翟8 性策略的功耗反馈机制，通过可变滑动窗口观察过去一段对问内 当前策略下的p m c 平均功耗，当平均功耗与o r a c l e 策略平均功耗的偏离程度超过一定阈值后对 策略参数进行调整，使预测性策略在节能目标的指引下具有更好的自适应性。提出偏离显著性水 平d 用以定义偏离程度，通过对d 进行调节可控制预测性策略对空闲时间序列波动的敏感性。 基于能耗期望的d p m 预测方法 现有的d p m 预测性策略基于空闲时间前后的关联性进行预测，在嵌入式存储系统随机服务 请求环境下面临失效的问题。本文提出基于空闲时间能耗期望的预测方法，该方法不依赖关联性 进行预测，而从概率统计的角度对空闲时间的分布进行总体观察，并依据空闲时间的能耗期望值 做出预测判断，获得最优的节能效果。对于空闲时间非稳态分布，该方法通过对空闲时间样本值 的在线估计进行判断，使策略具有良好的自适应性。 面向多任务环境的具有节能意识的数据缓冲区设计方法 在嵌入式多任务环境下，任务对存储系统部件的数据访问情况较为复杂。基于单块f i f o 数 一4 一 东南大学博士学位论文 据缓冲区的d p m 策略未考虑该环境下交替访问与数据重用的特性，效果较差。本文提出具有节 能意识的数据缓冲区设计方法。通过对缓冲区进行分块，并在运行时为各任务动态分配最优化的 缓冲区大小可解决交替访问带来的问题；将存储c a c h e 内容可替换的特性引入数据缓冲区可满足 任务数据重用的需求。在此基础上，提出引入任务数据访问信息的替换算法，以提高缓冲区数据 利用率，进一步降低功耗。 1 3 论文的组织结构 本文共分六个部分。除去本章外，后续各章的内容如下： 第二章对d p m 的基本原理与主要概念进行阐述，并在对d p m 策略的总体研究进行分析 与归类的基础上详细介绍了存储系统d p m 的研究现状。 第三章阐述了适用于本文研究的嵌入式存储系统d p m 模型以及基于该模型的实验评估 方法，并阐述了本文实验所采用的评估指标。 第四章在分析现有d p m 预测性策略的基础上，详细阐述了面向存储系统中单设备的 d p m 预测性策略研究并给出了仿真实验结果与分析。 第五章从嵌入式存储系统多任务数据访问特性出发，提出基于数据缓冲区的面向层次化 存储的d p m 镱略并给出仿真实验结果与分析。 第六章对论文进行总结，并对进一步的研究进行展望。 一5 一 东南大学博士学位论文 第二章动态功耗管理研究综述 2 1 系统级功耗优化技术 2 1 1 总体介绍 系统级功耗优化是一个十分活跃的研究领域”4 】【l ”，包含了丰富的内容与研究手段，研究人员 对系统级功耗优化的定义与理解也不尽相同。通过相关的文献与综述文章1 0 】【j 5 】【j 6 】 1 7 】，可以总结 出研究者对系统级功耗优化技术的共性认识： 从系统软硬件的整体出发寻求降低系统、子系统或设备功耗的设计方法，而并非着眼于 通过内部机理的改进降低单个设备或子系统功耗； 可以在硬件系统、操作系统、应用程序，甚至用户操作等多个系统层面上实旅； 通过与系统运行过程以及各类请求负载的相互作用来实现降低功耗的目标。 相对于电路级、结构级等低功耗技术而言，系统级功耗优化技术位于整个电子系统的较高层 次，因此可以充分利用应用的信息【lo 】；而随着操作系统的迅速发展与广泛使用，系统级功耗优化 也获得了比以往更多的观察与实现手段。丰富的信息量与技术手段使得系统级功耗优化可以十分 有效的根据应用的情况取得功耗与性能的良好平衡，因此系统级功耗优化技术在最近几年获得了 较多的关注。随着微处理器性能以及内存容量的不断提高，各类嵌入式系统的计算能力增长迅速， 系统级功耗优化技术在内部也有向操作系统、应用程序等软件级别转移的趋势“l j 【l “。本文所聚焦 的嵌入式存储系统d p m 策略研究就属于系统级功耗优化研究的范畴。 2 1 2 系统级功耗优化技术的分类 系统级功耗优化技术的内容十分丰富，所涉及的知识背景也较为庞大。在系统级，能量消耗 主要来源于四个部分：处理单元；o 存储系统： 显示系统：内部连接与通信单元。系统级 功耗优化技术在保证各部分性能要求以及交互效应达到平衡的同时，使得这四部分的能耗最小化。 该技术总体上可以分为两大类呷1 ：静态技术与动态技术。 2 1 2 1 静态技术 静态技术一般在系统设计的初始阶段使用，假设系统的功能定义、工作模式以及运行流程等 已知，而且在将来也不会改变。静态技术的实施效果在设计时即已确定，不会根据系统运行时的 变化而有所调整，是一种根据大量设计时已知的系统信息进行功耗优化的技术。以下对常见的静 态技术做一些简单的介绍。 通过软硬件划分实现的系统级功耗优化技术。软硬件划分技术从系统功能的高级抽象出发， 试图寻求系统任务在软件与硬件之间的最优化划分与分配”】【2 0 】【2 l 】。在划分时以降低功耗为目标寻 求最优解可达到构造低功耗系统的目的。原则上说，所有产生能耗的部件都可以在系统抽象级上 进行描述，但功能的高度抽象会使对功耗的评估精度受到影响【】”。已有一些技术可以根据固定模 板自动构造出功耗最优化的面向特定应用的处理器b 2 】【2 ”。 针对电压可变处理器的静态功耗优化技术。传统上，处理器的电压是固定不变的，而近几年， 越来越多的处理器支持可变电压，因此可以根据负载的轻重对电压进行调解以降低处理器功耗。 文献口4 1 1 2 5 】【2 6 埂出了针对电压可变处理器的静态功耗优化策略。在文献 2 4 1 中，针对采用e d f 调度 7 一 第二章动态功耗管理研究综述 算法的实时系统提出了一种寻找最优电压调度的静态方法。在文献1 2 ”中，作者研究了一个更为通 用的处理器模型，该静态方法使得系统在某些非常特殊的情况下达到能耗最优化。在文献 2 6 1 中， 低功耗非抢占式调度被建模为一个整数线形问题，该系统包含一组具有相同到达时间和任务执行 期限但上下文切换代价不同的任务。 存储器静态能耗最优化技术。通过存储器层次的定制以及程序与数据在不同层次存储器中 的合理布局实现降低存储器能耗的目标。1 9 9 8 年，y a n b i n gl i 等研究者 2 7 蟓合考虑指令c a c h e 与数据c a c h e 的大小和组关联，提出一套c a c h e 架构以同时满足速度和能耗目标。2 0 0 1 年，s h i u e 等研究者口即提出了在面积和速度约束下最小能耗以及面积和能耗约束下最快速度的数据c a c h e 的 设计探索方法。利用片上存储器s p m ( s c r a t c h p a dm e m o r y ) 功耗相对片外存储器较低的特性 进行能耗优化。s t e i n k e 等研究者口9 】和m a n i s hv e r m a 等研究者分别于2 0 0 2 年和2 0 0 3 年利用编 译器同时分析程序指令和数据的访问情况，采用整数线性算法决定最佳集合，并将它们分配到 s p m 中以获得功耗优化。 2 1 2 2 动态技术 静态技术没有考虑研究对象的时间有效性，在运行过程中不能根据环境或负载的变化而及时 调整，效果受到限制。动态技术则是在系统运行时根据环境或负载的变化动态的调整系统或策略 的配置，从而自适应变化因素，因此相比静态技术的效果在设计时即已确定这点而言，动态技术 在整个系统运行期间都能保持较好的功耗优化效果。 动态技术所包含的内容也十分丰富，甚至在某些领域，静态技术也有向动态技术延伸发展的 趋势。例如，在针对存储器能耗最优化的研究中，s t e i n k e 等研究者口”在2 0 0 2 年提出了动态复制 指令至s p m 的能耗优化方法，v e r m a 等研究者f 3 2 1 在2 0 0 4 年提出的优化策略中，针对 3 1 】申的缺陷 做了深入研究。动态功耗管理( d p m ，d y n a m i c p o w e r m a n a g e m e n t ) 与动态电压调节( d v s ，d y n a m i c v o l t a g es c a l i n g ) 是系统级动态功耗优化技术中最具鲜明特点的两种主流技术【1 0 】，前者的研究对象 是具有多种功耗模式的系统部件，后者的研究对象是支持运行时电压可调的处理器。d p m 是本文 研究的聚焦点，将在后文中进行详细介绍，本节将对d v s 进行简要介绍。 随着商用c m o s 芯片电源供给技术的发展，在运行期问对处理器内核工作电压进行实时调节 成为可能：而高效d c - d c 电压转换器的出现也为处理器内核工作电压的动态调节提供了条件【”1 。 伴随着处理内核工作电压变化的是处理速度的变化。在嵌入式软实时系统中，任务的执行并无苛 刻的时间要求，而只需在应用规定的截止时间内执行完毕，截止时间决定了任务的紧迫程度。d v s 就是根据任务的紧迫程度对处理器内核电压进行动态调节，以达到任务响应时问和处理器低能耗 之间的平衡9 4 i t 5 】口q c m o s 电路的功耗分为静态功耗与动态功耗。静态功耗由漏电流引起，动态功耗由节点翻转 时的短路电流以及对负载电容的充放电引起。与动态功耗相比，c m o s 电路中的静态功耗可以忽 略不计，因此大多数低功耗技术都着眼于如何降低动态功耗。动态功耗p 计算如下： p = 口c ：2 f( 2 1 ) 式中： g 负载电容( 口g 表示开关电容) ； p 0 工作电压； ，开关频率。 由式( 2 1 ) g 知，电路功耗与工作电压的平方成正比关系。而处理器在降低工作电压的同时会增加 电路延迟，精确的描述，电路延迟d e l a y 与电压p 0 之间具有如下关系”1 ： 撕2 尚 8 ( 2 2 ) 东南大学博士学位论文 式中： k 门槛电压； 七常数。 因此当p 茹降低时，电路延迟将增大，从而降低了处理器所能达到的工作频率。由式f 2 1 1 可见， 利用d v s 技术降低处理器能耗基于这样一个事实：处理器的功耗与工作电压的平方成正比关系。 这与通过降低处理器频率来降低能耗具有本质区别，因为处理器功耗与频率成正比关系，任务运 行时间与频率成反比关系，而任务运行所耗费的总能量为功耗与运行时间的乘积，因此降低处理 器频率并不能减少运行任务所耗费的总能量。 早期的d v s 技术基于处理器的利用率进行设置，并没有考虑到运行任务的不同需求。后来针 对实时系统提出了一些电压调节策略0 7 】【3 8 】【3 9 i d o l 。l s h i h a r a 等研究者在文献中针对电压可连续 变化以及离散变化的处理器进行了讨论：为了降低电压可连续变化处理器的功耗，需要为每个任 务找到一个特定的电压，将整个执行时间延长到对应的截止期限( d e a d l i n e ) ；对电压离散变化的 处理器来说，则至少需要为每个任务找到两个执行电压。h o n g 等研究者在文献0 3 1 中研究了将周 期性任务与非周期性任务进行联合调度的问题，策略保证满足所有周期性任务的d e a d l i n e ，并使 可接受的非周期性任务最大。另外，在文献【4 2 】【4 3 ( 4 4 1 d ”中还针对分布式系