（微电子学与固体电子学专业论文）嵌入式系统动态低功耗设计策略的研究.pdf

摘要 摘要 嵌入式系统设计者在以往设计过程中，通常只考虑到系统的稳定性、实时性等，但现在却面l 临 着一个新的挑战一降低系统的功耗。嵌入式系统的功耗可以在静态和动态两个技术范畴内来降低， 其中静态设计技术是降低功耗的主要手段，然而随着系统功能增强和集成度的提高，静态技术已经 不能完全满足系统对功耗的要求，最近的研究都集中于动态的低功耗设计技术，即动态电源管理 ( d y n a m i cp o w e rm a n a g e m e n t ，d p m ) 和动态电压调节( d y n a m i cv o l t a g es c a l i n g ，d v s ) 两种主流 技术。本论文在对d p m 和d v s 进行分析研究的基础上，提出了多种不同类型的动态低功耗策略，以 使所采用的设计策略能够适用于不同的应用环境。 d p m 技术降低系统功耗的主要办法是根据工作负载的变化来动态切换目标设备工作模式。本文 利用电池使用过程中所具有的非理想特性，提出了c v a a s ( c r i t i c a lv o l t a g e a r e a a d a p t i v es k i l l ) 自适 应超时策略，该策略通过引入电池因素，在进一步降低系统功耗的同时扩展了d p m 自适应对象的范 畴。针对a l t ( a d a p t i v e l e a r n i n g t r e e ) 模型的缺陷，本文提出了p b a l t ( p r o b a b i l i t y - b a s e d a d a p t i v e l e a r n i n g t r e e ) 预测策略，该策略通过概率来描述设备行为，能够提高预测正确率，从而达到系统功 耗与性能之间的优化平衡。另外，通过分析发现传统d p m 策略仅仅建立在对目标设备任务请求进行 观测的基础上，并没有利用操作系统的额外信息，为此本文在任务层次提出了一种在线设备调度策 略e o d s a ( e n e r g yo p t i m a ld e v i c es c h e d u l i n g a l g o r i t h m ) ，其通过对任务请求源进行划分以及系统级 建模，能够提供功耗管理单元更多有关将来的设备请求信息，从而更有效的降低系统功耗。 对于嵌入式实时系统，d p m 因无法满足实时性的要求而难以适用，d v s 技术则能够很好的解决 此类系统中性能与功耗的要求。本文在理论证明的基础上提出了一种针对瞬态任务组实现系统能耗 最优化的动态电压调节模型e o v s m ( e n e r g yo p t i m a lv o l t a g es c a l i n gm o d e l ) 及其次优化模型 e s o v s m ( e n e r g ys u b - o p t i m a lv o l t a g es c a l i n gm o d e l ) ，实验结果表明这两种模型在保证任务实时性 的同时能够显著降低系统功耗。 为了将d p m 与d v s 进行有效的结合，本文基于e o v s m e s o v s m 模型以及任务重组原理，针对 由瞬态任务和周期性任务所组成的系统设计了一种电压调节策略e c v s p ( e n e r g y - c o n s c i o u sv o l t a g e s c a l i n g p o l i c y ) 。实验结果表明，e c v s p 策略在满足任务截止期限的同时，具有比一般d p m 更好的省 电性能。 论文最后对研究成果进行总结，概述了嵌入式系统低功耗领域的其他研究方向，同时对未来的 研究思路进行了展望。 关键词 嵌入式系统低功耗设计动态电源管理动态电压调节 a b s t r a c t e m b e d d e ds y s t e md e s i g n e r su s u a l l yf o c u so nt h es t a b i l i t ya n dr e a l - t i m ed u r i n gp r e v i o u sd e s i g n i n g p r o c e d u r e ，n o w a d a y s ，m i n i m i z a t i o no f p o w e rc o n s u m p t i o ni so n eo f t h em o s tc h a l l e n g i n gp r o b l e m sd u r i n g e m b e d d e ds y s t e md e s i g n i n g p o w e rr e d u c t i o ni ne m b e d d e ds y s t e mc a nb er e a l i z e db ys t a t i ca n dd y n a m i c t e c h n i q u e s ，a n dt h ef o r m e rh a sb e e nt h ed o m i n a t e dm o t h o d ，h o w e v e r , s t a t i ct e c h n i q u e sc i l i an o ts a t i s f yt h e s y s t e mr e q u i r e m e n t s0 np o w e rc o n s u m p t i o na b s o l u t e l yw i t ht h ei m p r o v e m e n to ns y s t e mf u n c t i o na n d i n t e g r a t i o nd e n s i t y r e c e n tr e s e a r c hh a sc o n c e n t r a t e do nd y n a m i cp o w e rr e d u c t i o nt e c h n i q u e s ，w h i c h i n c l u d ed p m ( d y n a m i cp o w e rm a n a g e m e n t ) a n dd v s ( d y n a m i cv o l t a g es c a l i n g ) ，b a s e d0 nt h ee x p l o r i n g o fd p ma n dd v s ，v a r i o u sd y n a m i cp o w e r - r e d u c t i o np o l i c i e s , a p p l i c a b l et od i f f e r e n ts y s t e me n v i r o n m e n t , a r ep r e s e n t e di nt h i sp a p e r d p ma i m sa tm i n i m i z a t i o no f p o w e rc o n s u m p t i o no f e l e c t r o n i cs y s t e m sb yd y n a m i c a l l ys w i t c h i n gt h e p o w e rs t a t eo fp o w e rm a n a g e a b l ec o m p o n e n t sa c c o r d i n gt o t h ev a r i a t i o n so fw o r k l o a d s a na d a p t i v e t i m e o u tp o l i c yn a m e dc v a a si si n t r o d u c e df u re x p l o i t i n gt h en o n i d e a l i t i e so fr e a l l i f eb a t t e r yc e l l s b y i m p o r t i n gb a t t e r ye f f e c t ，c v a a sc a nf u r t h e rr e d u c et h es y s t e mp o w e r , a n de x t e n dt h ea d a p t i v eo b j e c to f d p ms i m u l t a n e o u s l y p b a l ti sp r o v i d e da g a i n s tt h ed e f e c to fa l tm o d e l b yc h a r a c t e r i z i n gt h ed e v i c e a c t i v i t yi np r o b a b i l i t y , p b a l th a sh i g h e rh i tr a t i oa n dc a no p t i m i z et h eb a l a n c eb e t w e e np e r f o r m a n c ea n d p o w e r i na d d i t i o n ，i ti ss h o w nt h a tt r a d i t i o n a ld p mp o l i c i e so b s e r v er e q u e s t so n l ya tt h et a r g e td e v i c ea n d l o s tt h ee x t r ai n f o r m a t i o nf r o mt h eo s ，s oa l lo n - l i n ed e v i c es c h e d u l i n gp o l i c yc a l l e de o d s ai sp r e s e n t e d i nv i e wo ft a s kl e v e l e o d s ap r o v i d e sm o r ei n f o r m a t i o nt op o w e rm a n a g e ra b o u tf u t u r er e q u e s t sb y c l a s s i f y i n gr e q u e s t sa c c o r d i n g t ot h e i rs o u r c e s ，a n dc a r lr e d u c em o r es y s t e mp o w e ra c c o r d i n g l y t h ea b o v ed p mm e t h o d sa r en o ta p p l i c a b l et oe m b e d d e dr e a l t i m es y s t e m sf o ru n s a t i s f y i n gt h e r e a l - t i m er e q u i r e m e n t f o r t u n a t e l y , d v sc a ns o l v et h ea s s o c i a t i v er e q u i r e m e n to fp e r f o r m a n c ea n dp o w e r c o n s u m p t i o n a no p t i m a ld y n a m i cv o l t a g es c a l i n gm o d e le x p r e s s e d e o v s ma n das u b - o p t i m a lm o d e l n a m e de s o v s mf o rs p o r a d i ct a s ks e t sa r ed i s c u s s e do l lt h eb a s i so ft h e o r e m sp r o v i n g t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wt h a tb o t hm o d e l sc a ns a t i s f yt h et a s k s r e a lt i m ea n dr e d u c ep o w e rs i g n i f i c a n t l y f o rt h es a k eo fc o m b i n i n gd p mw h i t hd v se f f i c i e n t l y , a no n l i n ev o l t a g es c a l i n gp o l i c ye c v s pf o r m i x e dt a s ks e t s c o n s i s t i n g o fp e r i o d i ca n d s p o r a d i c t a s k si s p r e s e n t e do nt h ef o u n d a t i o no f e o v s m e s o v s mm o d e la n dt a s kr e g r o u p i n ga l g o r i t h m t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ee c v s p p o l i c yi ss u p e r i o ri np o w e rs a v i n gt og e n e r a ld p mp o l i c i e sw h i l es a t i s f y i n gt h et a s k s d e a d l i n e l a s t l y , as u m m a r yo ft h e s i s c o n t r i b u t i o n si s g i v e n a n do t h e rd i r e c t i o n sf o rw o r ko nt h e p o w e r - r e d u c t i o nt e c h n i q u e sa r ed i s c u s s e d s i m u l t a n e o u s l y , w es h o wp r o s p e c tf o rt h ef u t u r ee x p l o r a t i o n k e y w o r d s e m b e d d e ds y s t e ml o wp o w e rd e s i g nd y n a m i cp o w e rm a n a g e m e n td y n a m i cv o l t a g es c a l i n g 东南大学博士学位论文 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： 扯一出7 哆 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。 虢阿飘 期： 尘彩歹。，3 f 第一章序论 第一章绪论 1 1 嵌入式系统低功耗设计策略研究的必要性和可能性 嵌入式系统是多个设备或者对象的组合，其在一定的限制条件下相互作用可产生特定的功能。 现在已经出现了许多测试标准来对嵌入式系统的整体设计质量进行评估，如系统性能、稳定性、能 耗、设计和生产费用等，其中系统的能耗问题在最近几年已经逐渐成为一个重要的设计考虑因素。 能量的高效使用除了能够降低系统操作代价( 例如电能消耗) 和减小环境影响( 例如辐射干扰、嗓 音) 外，对延长手持设备中的电池寿命来说也是非常有必要的。为了在系统性能得到维护的同时降 低系统能耗，需要同时对硬件和软件进行设计的优化；而嵌入式系统的组成特点和应用特性也为能 耗降低带来了可能性。 1 1 1 嵌入式系统低功耗设计策略研究的必要性 系统能耗已经逐渐成为嵌入式系统设计过程中的一个重要研究点，其重要性随着手持设备的普 及而越来越突出。嵌入式系统设计者在以往设计过程中，系统的稳定性、实时性、安全性等是设计 和考虑的重点，但是现在对系统设计者来说，又产生了一个新的挑战一降低系统的能量消耗，其 必要性体现在以下几个方面： 现在越来越多的手持设备系统利用电池供电，而电池容量相对有限，因此有必要通过降低功耗 来延长系统的可持续使用时问l l ： 半导体工业的迅速发展使得系统集成度和时钟频率得到了显著提高，但i c 器件运算能力爆发性 增加的同时也导致了系统的功耗急剧上升，这将带来热量释放的问题，而且也给设备的封装费 用带来影响【2 l 。我们可以通过系统功耗的降低来减小整个系统的设计和生产成本； 电池技术的发展速度严重滞后于系统能耗需求的增长速度：在最近3 0 年中电池容量只增长了4 到8 倍，但在相同的时间范围内数字i c 运算能量的增长却超过了4 个数量级【”。采用系统功耗 降低技术可以弥补电池技术发展的不足； 绿色电器理念越来越深入人心1 4 】，低能耗高性畿的嵌入式设备更容易得到用户的认可； 人们对环境问题的关心程度越来越高1 4 】。显然，系统功耗越大，外围环境所受到的辐射或者电 磁干扰越严重； 能量价格上浮等因素也从另外一个方面体现了降低系统功耗的必要性【4 ) ； 综合以上因素可以看出，嵌入式设备或者系统能耗的大小将会从多个方面来影响系统的整体性 能。因此，电子设计者在进行系统设计，尤其是针对手持设备之类的嵌入式系统设计过程中，系统 能耗将是一个越来越重要的设计因素。 东南大学博士学位论文 1 1 2 嵌入式系统低功耗设计策略研究的可能性 现在的嵌入式系统设计是软硬件协同设计的过程，其系统组成和应用特性为动态级的低功耗策 略设计与应用提供了可能，这些可能性包括设备功耗模型、工作负载、系统嵌入三个方面： 设备功耗模型：在嵌入式系统中，越来越多的设备除了正常功耗模式外，还支持一种或多种低 功耗工作模式，这为动态级的功耗管理提供了可能，即系统可以根据工作负载的变化情况合理 设置目标设备的工作模式( d p m 技术应用) 。另外，随着商用c m o s 芯片电源供给技术的发展， 使得处理器内核的工作电压在运行期间根据应用任务的时间限制发生实时变化成为可能( d v s 技术应用) ，而高效d c d c 电压转换器的出现也为处理器工作电压的动态调节提供了硬件设计 条件； 夺工作负载：嵌入式系统是多种本质上具有不同特征的器件集合。例如，某个便携式系统具有一 个处理器单元、一个模拟单元( 无线卡) 、一个机械部分( 硬盘驱动) 、以及一个光学器件( 显 示器) ；显然，这四个单元在系统运行过程中所能实现的功能各不相同。系统通常是在作最坏打 算的工作负载情况下为达到峰值性能而进行设计，但是系统通常处于欠负载工作状态下，而且 工作负载具有不均匀性。工作负载的变化性( 或者不均匀性) 为能量的自适应降低提供了可能 性，如果没有任务对某个目标设备产生服务请求，该设备则处于空闲状态，从而可以将其关闭 使之进入到低功耗、低性能的睡眠模式；当某个运行的任务需要使用该设备时，则将其唤醒使 之进入高功耗、高性能的工作状态： 系统嵌入：当设计出一个节能效果显著的动态低功耗策略后，还必须将其嵌入到整个系统程序 中才能得到实际应用。动态低功耗设计技术的重要性越来越突出，这除了在文献【5 】【6 】【7 】中所提 出的若干研究成果之外，还可以通过系统动态功耗管理的工业标准化建立很明显的看出。现在 主流的操作系统，诸如m i c r o s o f tw i n d o w s ，l i n u x 2 4 都支持高级电源管理a p m ( a d v a n c e dp o w e r m a n a g e m e n t ) 、高级配置和电源接1 2 1a c p i ( a d v a n c e dc o n f i g u r a t i o na n dp o w e ri n t e r f a c e ) 【8 j i ”等 模块。其中，a c p i 于1 9 9 7 年提出，且被i n t e l 、m i c r o s o f t 、t o s h i b a 推荐为系统功耗管理中的标 准软硬件接口。a c p i 允许设备厂家，o s 设计者、设备驱动编程人员使用同个标准接口，而 与a c p i 兼容的设备也应该能够正确响应a c p i 的调用，如参数设置、工作状态的查询等。通过 对a p m 、a c p i 机制的引用或改进，可以很容易的将低功耗设计策略嵌入到系统内核中，从而 减轻了低功耗策略系统嵌入的工作量。 1 2动态低功耗设计方法已经成为主要手段 在系统级，有四种主要的能量消耗源：( 1 ) 处理单元；( 2 ) 存储单元；( 3 ) 显示单元；( 4 ) 内 部连接和通信单元。能量高效的系统层设计在保证各个单元交互效应达到平衡的同时，还必须使得 这四种类型单元的能耗最小化。 从总体上讲，功耗降低技术在嵌入式系统范畴内可以分为两大类呷j ：静态技术和动态技术。静 态技术土要在系统初始设计过程中使用，其假设系统的功能定义和j 二作模式已知，而且在将来也不 2 第一章序论 会改变。在嵌入式系统软硬件设计的初期阶段，已经使用到了一些静态低功耗降低技术。例如，通 过软件优化编译技术来优化所使用的指令代码，从而影响到运行程序的能耗；代码存储和内存中的 数据存取方式将影响到处理器和存储单元之间的能量平衡；数据表达方式也将影响到通信资源的功 耗。另外，在文献f 1 1 1 2 1 1 1 3 1 1 4 1 q u 也已经提出了一些静态功耗管理策略。在【1 4 】中，针对采用e d f 调度方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【1 1 1 中，作者研究了一个更为通用 的处理器模型，该静态方法使得在系统某些非常特殊的情况下能够达到能耗的最优化；在 1 2 冲，低 能耗非抢占式调度问题被建模成一个整数线性问题，该系统包含一组具有相同到达时间和任务执行 期限，但是上下文切换代价不同的任务。 与静态技术相对应，动态技术则是系统在运行阶段充分利用工作负载的变化性来动态改变设备 工作模式，从而达到降低系统功耗的目的5 f 5 9 】网。动态技术本质上是一个系统级的设计方法，其最 关键之处在于功耗管理( p o w e rm a n a g e m e n t ，p m ) 单元：p m 监控整个系统的工作状态，当发现系 统处于欠负载或者无负载状态时，就发送命令来控制目标设备的工作模式。而嵌入式系统的组成和 应用特性也为动态级的低功耗策略设计与应用提供了可能【5 q ”。 很明显，静态功耗降低技术只需在设计阶段使用一次，在运行过程中不能根据工作负载的变化 而灵活处理，而动态低功耗技术在运行过程中能够很好的自适应于工作负载变化情况，更易于执行 和应用。另外，随着系统功能增强和集成度的提高，静态技术已经不能完全满足系统对功耗的要求。 尽管静态技术在一定程度上能够带来能量节省，但是最近的研究都着重于动态领域的低功耗设计技 术，其通常利用底层的硬件特性来获取有效的能量节省，现已成为嵌入式系统领域中降低功耗的重 要手段【1 5 】1 6 2 1 u 2 1 。 1 3嵌入式系统中动态低功耗设计的两种主流技术 嵌入式系统的一个重要特点就是工作负载具有不均匀性以及动态变化性。既然嵌入式系统的工 作负载在通常情况下会随着时间发生变化，那么就可以通过关闭设备( d p m 技术) 或动态调节处理 器的工作电压( d v s 技术) 来取得系统性能和功耗之间的平衡。经过多年的研究与发展，现在已经 在系统的多个层次提出了d p m 和d v s 技术岬1 1 6 4 1 1 6 6 1 1 6 7 1 6 8 】【6 9 1 7 0 l ，而且这两种技术已经成为动态低功 耗技术设计过程中的主流技术 1 3 1 动态电源管理( d p m ) 1 3 1 1d p m 基本原理 d p m 应用的基本前提条件是系统或者系统单元，在正常的运行时间段内将处于非均匀的工作负 载中。而工作负载的非均匀性在嵌入式系统和大多数交互式系统中是非常普遍的现象【1 6 1 。 d p m 技术的本质就是根据系统工作负载的变化情况来有选择的将系统资源设置为低功耗模式， 从而达到降低系统能耗的目的。系统资源可利用工作状态抽象图来构建对应的模型，该模型中每个 东南大学博学位论文 状态都是性能和功耗之间的折衷。例如，一个系统资源可能包含n o r m a l 、s l e e p 两个工作模式，其 中s l e e p 状态具有较低的功耗，但是也要花费一些时间和能耗代价才能返回到n o r m a l 状态。状态之 间的切换行为由功耗管理( p o w e rm a n a g e m e n t ，p m ) 单元所发送的命令来控制，其通过对工作负载 的观察来决定何时以及如何进行工作模式的转移。性能限制条件下的功耗最小化( 或者功耗限制条 件下的性能最大化) 策略模型是一个受限的最优化问题【7 2 1 【7 7 1 1 8 3 】【9 1 】。 图1 - i 显示了d p m 的基本思想。我们可以将工作负载看成是多个任务请求的集合体。例如对硬 盘来说，任务请求就是读和写的命令：对网卡来说，任务请求则包含数据包的收发两个部分。当有 任务请求( r e q u e s t s ) 时，设备处于工作( b u s y ) 状态，否则就处于空闲状态( i d l e ) 。从该概念出发。 在图1 1 中的五五时间段内，设各处于i d l e 状态，而在i d l e 状态下则有可能进入到s l e e p 低功耗 工作模式。该设备在乃点被关闭，并在乃点接受到任务请求而被唤醒；在这一状态转变过程中需要 消耗一定的时间，图中的z t 耐和分别代表关闭和唤醒延时。对于硬盘或显示器而言，唤醒这些设 备需要花费几秒钟的时间，而且唤醒一个处于s l e e p 工作模式下的设备还需要花费额外的能量；也就 是说，设备工作模式的转变会带来不可避免的额外开销。如果没有这些额外的开销( 包括时间和能 量) ，d p m 本身就没有任何必要：任何设备只要一进入i d l e 状态就立即将其关闭。因此，一个设备 只有在所节省的能量能够抵消这些额外开销时才应该进入s l e e p 工作模式。决定一个设备是否值得关 闭的规则就叫做策略( p o l i c y ) 。在功耗管理过程中，我们一般只考虑设备在i d l e 状态下的功耗，而 不去考虑处于b u s y 时的功耗。 广 广 w o r k l o a dr e q u e s t si lr e q u e s t sl l ：l j l ：山 d c v i c e p o w e rs t a t e 乃乃乃 图1 - i 工作负载、设备、功耗状态图 由于设备在状态转换过程中会产生额外的时间和能量消耗，从而给d p m 理论带来了一个平衡时 间的概念二t b z , s 。t b e , s 表示设备在s 状态下的省电平衡时间点( b r e a k - e v e nt i m e ) 。在具体讨论之前， 首先定义如下的变量( 假设设备具有n o r m a l 、s l e e p 两个工作模式) ： t o o f f ：设备从n o r m a l 工作模式切换到s l e e p 花费的时间； z 矗。：设备从s l e e p 工作模式切换到n o r m a l 花费的时间； ，。o f f ：设备从n o r m a l 工作模式切换到s l e e p 过程中的功耗： p o f f 。：设备从s l e e p 工作模式切换到n o r m a l 过程中的功耗： p 。：设备在n o r m a l 工作模式下的功耗； j p w：设备在舭印 ：作模式下的功耗； t , o , a e - o ：设备进入s l e e p 工作模式后不会带来能鼍浪费的所需最小时间； 第一章序论 p p 口_ 图1 - 2 z 砬s 直观图 从时域角度看，毛e s 包括两个部分：一是状态转换时间，即盯+ 7 盔。：二是最小平衡时间 正，可。通过图1 - 2 更能直观的理解t b e s 。从中可以看出，如果设备处于s l e e p 工作模式下的时间小 于某个极限值，则该模式之间的转换除了带来性能的损失外，还会产生能量的额外消耗。图1 2 中 隐含了d p m 策略的一个前提条件，即矿p 。，嘞。爿，册，够( ，。假设系统在低功耗模式下的 时间至少为正，埘，则通过方程式： 矿，o h + 砌+ 删+ ，咖f _ ( 够+ 正础谚+ 砀o n ) ( 1 1 ) 可以求出 瓦融彤= 【z 抑够+ ( 匕河一只。) + 砀埘( & 踟一尸品) 】，( 尸鲫一，劢 ( 1 。2 ) 从而可以得到 t b e s 2 ，q r + 7 硫一十互删 2 【? k 谚( ，。矿一尸4 口汁7 谚。( k m 一尸劫】，( ，一尸矽 ( 1 3 ) 式1 1 成立的前提条件是在( 矿7 赢。) 时间段内所消耗的能量大于n o r m a l 工作模式下的能 量消耗；反之，如果该前提条件不成立，就不会存在疋。k 护则z 皿s = k 矿z 务。 假设设备处于i d l e 状态下的空闲时间为z 诜( t , a e t b e s ) ，则进入跏印工作模式后所能节省的 能量，记为毋( 兄曲。可表示成： b 【z 饥) 一z 乩+ 一【i 矗够。尸m 够+ 7 葡。p 耐。+ ( 7 赢一旷砀唧) + ( 1 4 ) 若将设备进入以及退出s l e e p 工作模式所需的时间记为乃r = 盯+ z 矗。，并将设备在时问 段内的平均功耗记为，m = 矿矿，匆。7 矗。) ( 矿+ 7 幺，则坛( 7 诜) 可简化为： 西( 玩) 2 ( 一概一埘+ 一锄 艮( z 赢) 的平均值可表示为： e = 【_ t ( k ) 厂( 7 旒) d t 日e ( 1 5 ) 。肝 其中，( 7 五) 表示7 k 的概率密度。 一5 一 东南大学博士学位论文 平均功耗节省值户：。“可表示为： ，s 。( 【( 一) ( 气一) + ( 己一p 豫) 】厂( ) d ) z 器 ( 1 6 ) 另外，尸矗础s 还可以表示成三项的乘积：在s 工作模式下的功耗节省量，超出7 矗s 之外的 期望值以及进入s l e e p 工作模式的概率。，0 s 更新之后的表达式如下所示： ，s = ( 匕一岛) 【( 正麓k ；一) 磋a v g ( 1 一，( ) ) ( 1 7 ) 其中，f 代表z 赢的概率分布，7 翟a v g ，。表示大于s 的空闲时段平均长度- 通过式1 7 可以看出， 功耗节省值j p 矗叫s 与7 蠢s 一直成反比的关系：当t n e s = 0 时，尸。嘲，具有最大值：当t b e s 越来越大 时，只。 则渐进于0 。 1 3 1 2d p m 策略模型 在d p m 策略范畴内，系统模型由两个部分组成：一组相互作用的功耗可管理器件( p o w e r m a n a g e a b l ec o m p o n e n t ，p m c ) 以及功耗管理器( p o w e rm a n a g e m e n t ，p m ) ，其中p m c 的工作模式 由p m 来控制【8 7 j 。对p m c 而言，我们并不需要关心p m c 的内部实现细节，而是将它们看作黑箱， 这样就可以更专注于研究p m c 和周围环境的相互关系，即为了实现高效的动态低功耗管理策略， p m c 与p m 之间需要传递什么样的类型信息及信息量的大小。 a p m c 模型 在d p m 中，p m c 定义为完整系统中的一个原子模块。该定义具有一般性及抽象性，设备可以 简单到芯片内部的一个功能模块，或者复杂到一个开发板。p m c 的基本特征是其具有多个工作模式， 而且这些工作模式都对应不同的功耗和性能水平。一般情况下，功耗不可管理设备的性能和功耗在 系统设计以及应用过程中都是不变的；相对应的，基于p m c 就可以在高性能、高功耗的工作模式与 低功耗、低性能的工作模式之间进行动态切换。 p m c 的另外一个重要特点是工作模式之间的切换需要付出代价m i “l l ”】。在大多数情况下，代价 意指延迟或者性能损失。如果工作模式切换是非瞬态的，而且设备在切换过程中不能提供任何功能， 那么无论何时开始一个模式切换都将会带来性能的损失。工作模式之间的切换过程还可能带来功耗 代价，其经常出现在切换过程非瞬态的情况下。这里需要强调的是，在设计p m c 的过程中不能忽略 切换代价。 在大多数应用实例中，我们可以利用功耗状态机( p o w e rs t a t em a c h i n e ，p s m ) 来对p m c 建模， 其中“状态”是指各种不同的工作模式。由p m c 的特点可知，工作模式之间的切换过程将会产生功 耗和延迟代价。一般来说，工作模式的功耗越低，性能将会越低，而且切换延迟也将越长。这个简 单的抽象模型适用于多个单芯片设备，例如处理器、存储器，以及诸如硬盘驱动、无线网络接口、 显示器等设备。 我们通过m c 6 8 v z 3 2 8 处理器来作为p m c 的个举例，其具有三种工竹模式：r u n 、d o z e 、 6 第一章序论 s l e e p 。r u n 是正常工作模式，其在正常上电以及复位的情况下进入；在该状态下，所有的功能模 块都处于有效状态。d o z e 模式使得该处理器在不使用的情况下能够通过软件控制来将其停止运行， 但仍然会继续监听片上或片外中断源，即在d o z e 模式下，当产生某个中断时，c p u 能够快速的返 回到r u n 模式s l e e p 模式能够带来最大化的功耗节省，但同时具有最低层次的功能。从r u n 到 d o z e 开始的切换，m c 6 8 v z 3 2 8 依次关闭片上功能。而从s l e e p 切换到其他任何一种状态，则将 会经历一个相当复杂的唤醒过程。 1 p = 5 0 m w 1 6 m w w a i tf o rm t e r m p t w a i tf o rw a k e u pe v e n t 图l 弓m c 6 8 v z 3 2 8 的p s m 模型 m c 6 8 v z 3 2 8 的p s m 模型如图1 - 3 所示。状态通过功耗和性能来刻画，工作模式的切换时间则通 过边线表示。模式切换过程中的功耗接近于r u n 模式。这里需要指出的是，虽然d o z e 和s l e e p 模式都不提供任何性能，但是退出s l e e p 模式所需的时间( 1 6 0 m s ) 比d o z e 模式的退出时间( 1 0 n s ) 长的多；另一方面，芯片在s l e e p 模式下的功耗( o 1 6 r o w ) 远远小于d o z e 模式下的功耗( 5 0 r o w ) 。 b p m 模型 在d p m 范畴内，系统是指一组相互作用的设备，其中一些设备( 至少有一个) 是外部可控的p m c 。 该定义具有一般性，并没有给系统带来任何大小和复杂性方面的限制条件。在该系统中，设备行为 由系统控制器来协调。对于比较复杂的系统来说，通常基于软件来实现控制部分；例如在计算机系 统中，操作系统( o p e r a t i n gs y s t e m ，o s ) 来实现全局的协调工作。 p o 啊m 加a 孵 图1 - 4 系统层p m 酌抽象结构图 p m 根据系统设备的当前工作状态来进行实时控制，因此p m 的功能在本质上是一个系统控制 1 东南大学博士学位论文 器。一个功耗可管理的系统必须向p m 提供完全抽象的设备信息；而为了降低设计时间，p m 和系统 之间的接口标准化也是一个重要特征。 d p m 策略的选择和实现需要同时对设备的功耗，性能特征以及目标设备上的工作负载进行建模， 其中前者可以通过功耗状态机很好的实现，而工作负载模型的复杂程度则可能相差很大。对所有高 级的p m 方法而言，都必须获得工作负载的信息。因此，在p m 模型中需要系统监控模型，其能够 实时收集工作负载的数据信息并为p m 驱动提供相关信息。系统层p m 的抽象结构如图1 4 所示， 其中d b s e r v e r 模块收集系统中所有p m c 的工作负载信息，而c o n t r o l l e r 则负责发送工作模式切换的 命令。 在p m 系统中，并不是所有的设备都必须为p m c 。所有非p m c 器件的功耗构成了系统功耗的 底线值；显然，p m 不可能降低该部分设备的功耗。另外，所有功耗能够自身管理的设备对p m 来说 也是不可控的。尽管p m 的功能已经明确定义，但是并没有对其执行方式作出任何限制。在一些系 统中，p m 是硬件模块；而在其他某些系统中，p m 则是软件例程；另外p m 还有可能是软硬件的混 合模型。 h a p 0 2 0 0p d a 就是一个p m 系统的实例，其是我们实验室基于i n t e jx s c a l e 处理器开发的一款 手持个人信息终端。该终端采用嵌入式l i n u x 操作系统，可以提供强大的网络、快捷的因特网访问、 完备的个人信息管理、丰富的应用程序( 如多媒体播放器、图片浏览器、录音机) 等功能，另外还 具备c f 卡和u s b 扩展特性。h a p 0 2 0 0p d a 的高层次硬件结构如图1 - 5 所示。该系统中主要设备 的功耗都是可控的，即可以将i n t e lx s c a l ec p u 、存储器、l c d 以及以及各种数字化设备设置为低功 耗工作模式。另外一些器件，例如实时时钟，则一直处于有效状态。h a p 0 2 0 0p d a 的输入量来自 于控制按钮或者手写笔。 ( a ) h a p 0 2 0 0p d a 功能结构幽 第一章序论 ( b ) h a p 0 2 0 0p d a 电源结构图 图1 - 5h a p 0 2 0 0p d a 硬件结构图 h a p 0 2 0 0p d a 基于混合型的软硬件机制来实现p m ，其作为一个固件运行在c p u 上。h a p 0 2 0 0 p d a 上的工作负载随时间变化比较剧烈。如果用户没有在触摸屏上操作，系统则处于空闲( i d l e ) 状态。但是，h a p 0 2 0 0 p d a 不能在操作停止的时候立即关闭，这是因为从s l e e p 模式恢复到正常工 作状态需要几微妙的时问。如果p m 将系统设置为s l e e p 模式太过频繁，那么当重新开始操作时将会 丢失一定量的数据，从而导致设备质量受到损害。p m 命令会被f p g a 控制电路解码，并发送给对 应的目标设备。c p u 可通过软件来进行关闭，而唤醒过程则由中断来驱动。这里需要提出的是，s l e e p 模式下的系统功耗不可能为零，这是因为一些系统单元的功耗是不可管理的。 1 3 2 动态电压调节( d v s ) 1 3 2 1d v $ 基本原理 最近随着商用c m o s 芯片电源供给技术的发展，使得处理器内核的工作电压在运行期间进行实 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 l 。另外在软实时系统中，任务只需在规定的截止时间之前执行完毕就能达到系统的性能要求，而 没有要求立即得到系统的响应。d v s 技术就是根据任务的紧迫程度来动态调节处理器运行电压，以 达到任务响应时间和系统低能耗之间的平衡 s o l l 9 2 1 1 9 3 1 1 ”11 1 0 0 1 。 d p m 技术对非实时系统而言，能够带来显著的能量节省，但是由于d p m 内在的概率特性以及 非确定性，不能适用于实时系统。d v s 技术却能够很好的解决嵌入式实时系统中的性能与功耗要求， 其根据当前运行任务的性能需求来实时调节处理器工作电压。d v s 技术主要基于这样一个事实，即 处理器的能量消耗与工作电压呈平方正比的关系。如果只对处理器的频率进行调节，则所能节省的 能量将很有限，这是因为功耗与周期时间成反比，而能耗又与执行时间和功耗成正比。早期d v s 原 一0 一 东南大学博十学位论文 理基于处理器的利用率来设置其速度，并没有考虑到运行任务的不同需求。现在已经针对实时系统 提出了些电压调节策略【1 ”1 l ”】【1 0 7 】【l ”l 【1 1 1 】【1 1 3 】【1 1 5 j 【1 l ”。例如，文献【1 9 】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具体 的电压，从而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。文献【1 8 】则考虑了将周期性和非周期性任务进行联合在线 调度的问题。该原理能够保证满足所有周期性任务的d e a d l i n e ，并使得所接受的非周期性任务数目最 大化。另外，在文献 2 0 】【2 1 】【2 2 】【2 3 】 9