（电路与系统专业论文）基于Garfield处理器的系统功耗管理[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 摘要 现代的微处理器其内部大都提供了高级的电源管理功能，同时微电子技术的飞速发展使各种芯 片本身的功耗急剧降低，然而在便携式领域，面对电池有限的供电能力，整机系统对低功耗的要求 始终没有被忽略过。随着各种高级功能在便携式设备上的整合，人们系统低功耗的关注目益增加。 g a r f i e l d 是东南大学专用集成电路系统： 程技术研究中心设计的一款1 6 3 2 位r j s c 处理器， 基于这一芯片开发出了一款p d a 应用系统，本文就是从这款p d a 系统的实际应用出发，为其制定一 套低功耗管理方案。 文章开始介绍了当前低功耗管理的相关技术和管理策略的研究现状，在了解硬件平台的基础上， 确定了系统中将要定义的功耗管理状态模型和功耗管理策略静态超时策略，通过分析系统的应 用特点和操作系统多任务运行情况，详细定义了系统功耗状态转换条件、状态之间的转换过程，对 芯片内部模块功耗管理策略及其实现方法作了详实的阐述，尤其针对系统的睡眠和唤醒，我们作了重 点讲述。同时，对系统中的大功耗设备的管理也给出了专门的解决方法。 当整个方案实现后，在实际的系统中进行了测试验证，结果表明，该方案使得系统可以根据不 同的应用需求运行在不同的状态，同时动态地对大部分模块进行管理，从而使得系统功耗比没有实 施管理时有很大程度的降低。 关键词：功耗管理静态超时策略定时器服务 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t m o d e r n m i c r o p r o c e s s o r sn o r m a l l yp r o v i d e a d v a n c e dp o w e r m a n a g e m e n tf u n c t i o n ， a n d r a p i d d e v e l o p m e n to fm i c r o e l e c t r o n i ct e c h n 0 1 0 9 ym a k e st h ec h i p s p o w e rc o n s u m p t i o nd r o pd r a m a t i c a l ly h o w e v e r ，f a c i n gi i m i tp o w e rs u p p l yo fb a t t e r y ，s y s t e m sr e q u i r e m e n tf o rl o wp o w e rc o n s u m p t i o nh a sn e v e r b e e nn e g l e c t e di nt h ef i e l do fp o r t a b l ed e v i c e w i t hm o r ea n dm o r ea d v a n c e df u n c t i o nb e i n gi n t e g r a t e di n t o t h ep o r t a b 】ed e v i c e s ，p e o p l ea r ea t t a c h i n gm o r ei m p o r t a n c ef b rt h es y s t e m1 0 w e rp o w e rc o n s u m p t i o n b a s e do ng a r f i e l dat y p eo fp e r s o n a ld i g i t a la s s i s t a n t ( p d a ) w a sd e v e l o p e d s o f t w a r ep o w e r m a n a g e m e n tp r o p o s a l i ns y s t e ml e v e li sr e q u j r e dt or e d u c ei t sp o w e rc o n s u m p t i o n t bb e g i n ，t h ep a p e ri n t r o d u c e sr e l e v a n tl o w e rp o w e rm a n a g e m e n tt e c h n o l o g i e sa n dt h ep r e s e n t s j t u a t i o ni nr e s e a r c ho fp o w e rm a n a g e m e n ts c h e m e t h e n ，w em a k eg o o du n d e r s t a n do ft h es y s t e m p l a t f o r m o nb a s i so ft h e s ew o r k s ，w ed e f i n e ds y s t e mp o w e rm a n a g e m e n tm o d e la n dp o w e rm a n a g e m e n t s c h e m e ( s t a t i ct i m e o u ts c h e m e ) a f t e rt h a t ，t h es y s t e ms p e c i f i ca p p l i c a t i o nc h a r a c t e r 主s t i ca n dt h er u n n i n g p r o c e s so fs y s t e mm u l t i t a s ki sa n a l y z e dc a r e f u l l y ，f r o mt h a tw ed e 行n e dt h ec o n d i t i o n so fs y s t e mp o w e r s t a t e st r a n s i t j o na n dt h et r a n s i t i o np r o c e s sb e t w e e ns t a t e s w ea l s og i v ead e t a i l e de l a b o r a t i o no fd y n a m i c m a n a g e m e n ts c h e m eo fm o d u l e si n s i d et h ep r o c e s s o r ，a tt h es a m et i m e ；t h er e a l i z a t i o no ft h es y s t e ms l e e p a n dw a k e u pi si n t r o d u c e di nd e t a i l s p e c i a l s 0 1 u t i o n a l s ow a sa l s og i v e nt ol a r g ep o w e r - c o n s u m i n g d e v i c e s a f t e rr e a l i z a t i o no ft h es o l u t i o n ，w ec o n d u c t e dt e s ta n dv e r i f j c a t i o ne x p e r i m e n to nr e a lb o a r d t h e r e s u l t si n d i c a t et h a ts y s t e mc a nr u ni nd i 伯o r e n ts t a t e sf o rd i f f e r e n tr e q u i r e m e n t ，m o s to ft h em o d u l e sa n d d e v i c e sc a nb em a n a g e dd y n a m i c a l ly ，w h i c hm a k et h es y s t e mc o n s u m em u c hl e s sp o w e rt h a nb e f o r e k e yw o r d ：p o w e rm a n a g e m e n t s t a t i ct i m e o u ts c h e m e t i m e rs e r v i c e irp： 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：越日期： 方e ，ly 关于学位论文使用授权的说明 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的学位论文 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，允许论文被查询和借阅， 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。 研究生签名：趣丛导师签名： 期： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究的背景、目的和意义 在电子应用领域，电源管理的应用无处不在，从计算机、便携设备、家电到工业控制、 照明、宇航、军事等领域，尤其是在嵌入式系统和便携式设备领域。电源管理的目的很大 程度上是为了获得系统的低功耗。当前，便携式设备领域的发展极为迅猛，已经成为电子 信息行业中的热门产业，不断有各式各样的产品出现在市场上。在消费者购买便携式设备 或手机的时候，电池寿命和便携式设备的待机和使用时间，往往是除了产品功能外最重要 的参考因素。随着各种整机设备市场规模的不断增长和社会对环保问题的日益重视，功耗 问题已经成为人们关注的热点。 如今绝大多数基于r i s c 的处理器和外围的一些芯片设备在没计上采用了很多有效的 低功耗技术，而且硬件设计人员在进行硬件平台的设计过程中，充分利用现如今芯片厂商 提供的高集成度、高智能化和高易用性的电源管理芯片，力求在系统硬件上做出低功耗、 高性能、体积小巧的便携式电源系统。但是在嵌入式应用这一领域，尤其在手持式终端设 备方面，在系统的层次上对处理器和外围设备进行功耗管理仍具有巨大的意义。功耗管理 的内容几乎涉及到系统中的所有硬件模块，包括处理器功耗管理、设备功耗管理等几个部 分。其中与减低功耗相关的是处理器工作模式切换，芯片主频调整，定时关背光，具体设 备模块及其外围电路的开关控制，定时睡眠( 关机) 等功能。这些部分的协同： 作可以使 系统运行在更好的状态，更加有效的利用系统资源，获得更长的待机时间和更高的电池寿 命。 尽管电池技术一直有稳定改进，如更长的寿命及更小的体积，但这种发展仍然无法赶 上下一代设计快速增长的功率需求。要在新产品中将电池寿命延长到用户可以接受的水平， 需要采用更有效的电源管理方法。特别是如今便携式系统为满足用户日益丰富和高端的使 用需求，各种大功耗型的功能正不断被添加到产品中去，在整体性能上的要求越来越高， 因此如果一个系统不能够实现高效率地利用电池，那么必将影响其使用性。针对这样的问 题，人们提出了很多好的方法，例如，有一种方法可以协调高性能与低功耗之间的矛盾， 这就是让处理器根据当前的： 作负载，运行在不同的性能等级上。举例来说，一个m p e g 视频播放器需要的处理性能比m p 3 音频播放器高一个数量级。因此，当播放m p 3 时， 处理器可以运行在较低频率上，而仍然能保证播放的高质量。当时钟频率降低时，可以同 时降低处理器的供电电压，以达到节能的目的。总之，在系统中进行电源管理旨在提高系 统的用电效能，使平均时问内的功耗尽可能低。 由于我们的目标系统是p d a ( p e r s o n a ld i g i t a la s s i s t a n t ，个人数字助理) 这样一种手 持式设备，因此电池的使用时间和电源管理技术直接关系到其可用性。在p d a 这种手持 式设备上实现低功耗其实就是对系统的各个部分进行有效的电源管理，在各种功能和性能 均得到满足的前提下，尽可能地提高电源的利用率，这就要求低功耗的实现必须采用一种 可行的、同目标系统相适应的电源管理策略。 未来的p d a 可为用户提供“永远在线”的无线数据体验利丰富的多媒体特性，而这将使 p d a 在企业市场更具活力。不过，便携式电子产品的核心是电池寿命，对这一有限资源的 有效管理关乎任一品种p d a 的生死成败。 东南大学硕士学位论文 1 2 主要工作 针对目标系统，制定出一种可行的软件低功耗管理方案。 所做的主要：l 二作有： 对当前主要的电源管理标准进行了深入的研究，理解其： 作原理和组织架构，采用静 态超时策略对目标系统及其中的设备进行功耗管理；由于在任何计算机系统中实现低功耗 都与操作系统密不可分，所以在方案的制定过程中对a s 0 s 内核作了细致的研究，在操 作系统中设计出了一套功耗管理接口：通过对系统中处理器和外围设备的：i 二作特性的分析 和理解，定义了系统功耗状态并制定了各个系统功耗状态之间的转换策略；根据制定的策 略将整个方案分为以下几个部分予以实现：1 ) 功耗状态转换的实现；2 ) 内核级功耗管理 实现；3 ) 设备模块的功耗管理实现；最后在实际系统中对方案进行了测试和验证。 1 3 论文结构 第一章对课题的选题背景，研究的目的和意义作了简要概述。 第二章主要介绍了当前计算机系统中应用广泛的两种电源管理技术，它们提供了标准的软 硬件接口规范，在方案制定过程中作为很重要的参考；此外还介绍了电源管理策略。 第三章介绍了系统开发环境，包括硬件平台和软件平台，以及设计过程中用到的：【具软件。 第四章分析并定义系统的功耗管理状态，在此基础上制定出了低功耗管理方案。 第五章结合系统硬件特性、操作系统内核和设备驱动程序，详细讲述了方案的具体实现。 第六章在实际系统中验证方案的效率，得出关键数据并提出改进措施。 2 第二章低功耗管理技术综述 第二章低功耗管理技术综述 在计算机系统中，尤其是在依靠电池供电的便携式系统中，功耗管理技术的应用基于 以下原理：当系统在运行时，并非总是处在完全二 作状态，在相当长时问内它会处于空闲 或者部分： 作状态，一旦系统处于空闲状态，就可以采取措施降低它的功耗而不必担心会 影响它的正常工作。例如可以降低甚至停止处理器时钟，关闭某些系统设备，调整l c d 显示亮度等。 2 1 相关技术标准 计算机领域的电源管理技术首先起始于笔记本电脑，用来在使用电池供电时使笔记本 电脑获得更长的使用时间，后来的电源管理技术开始应用于台式机、：l ：作站和服务器等领 域。在1 9 9 2 年，i n t e l 和m i c r o s o f t 公司联合推出了a p m 6 ( a d v a n c e dp o w e rm a n a g e m e n t ) 电源管理接口规范并很快成为业界标准 1 1 9 9 6 年，出现了新一代电源管理标准a c p i 6 ( 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 es p e c m c a t i o n ) ，从此，【电源管理技术变得更加 灵活和智能化 2 】。 2 1 1 高级电源管理( a p m ) a p m 在1 9 9 2 年由i n t e l 和m i c r o s o f t 公司联合推出1 0 版本，到1 9 9 6 年2 月推出1 2 版本后，i n t e l 和m i c r o s o f t 公司与t 0 s h i b a 公司一起开始转向a c p i 标准，a p m 标准停1 二更 新。在基于微软操作系统的笔记本电脑和手持式设备中，a p m 开始被逐渐淘汰，但是在基 于l i n u x 的便携式设备中，它仍然得到广泛的应用。 2 1 1 1a p m 工作原理 图2 1a p m 系统层次结构图 。 ，-r-， ， ， l-ii_-iiii-，ll-i-i，r。o。i 东南大学硕士学位论文 a p m 属于一种应用程序接口。包含了多个电源管理软件层米支持具有电源管理功能的 电子设备( 即设备的功耗可编程控制) ，它定义了设备相关( d e v i c e d e p e n d e n t ) 电源管理软 件层和操作系统电源管理策略层之间的接口，描述了顶层应用、操作系统、驱动程序和b i o s 软件之间如何相互协作来降低系统的电源消耗。接口是硬件无关的，它屏蔽了硬件细节， 它允许开发者在b 1 0 s 中加入电源管理，a p m 在硬件和操作系统之间定义了一种“隔离层”， 使得上层软件无需了解底层硬件就可以使用a p m 。 图2 1 为a p m 系统的典型结构图，它由以下几个部分组成： 1 ) a p mb i o s 它是电源管理系统的最底层，直接管理板级硬件。这一层软件与硬件 平台密切相关，由硬件0 e m 商提供。提供简单易用的系统调用来使用系统中各 硬件单元提供的电源管理功能。a p mb i o s 无须操作系统或应用软件的支持就能 提供一定程度的电源管理功能。a p mb 1 0 s 可以与操作系统层中的a p md r i v e r 建立连接，将电源管理硬件由底层传递到a p md r i v e r ，并等待与a p md r i v e r 合 作来完成事件的处理。 2 ) a p md r i v e r 在操作系统中作为一个模块实现，利用a p mb i o s 为应用程序提供 高级编程接口和系统调用。 3 )a p m 应用需要对系统电源或一些硬件进行电源管理的应用程序，它通过操作系 统提供的a p m 驱动来完成电源管理功能。因为在计算机系统系统中，有些设备 不能被b 1 0 s 控制，例如p c m c i a 卡、m m c 卡、u s b 设备以及i s a 视频卡等这 些不常驻主板上的可插拔设备，b 1 0 s 无法对它们进行控制，而在应用软件层对 这些设备进行管理是最方便的。a p m a w a r e 应用程序以操作系统规定的方式在 a p md r i v e r 中进行登记，当系统中有电源管理事件产生时，a p md r i v e r 通知 a p m _ a w a r e 应用程序和a p m a w a r e 驱动程序，a p m a w a r e 应用程序和a p m a w a r e 驱动程序随后执行相应的处理。比如，当一个a p m a w a r e 驱动程序从a p md r i v e r 处得知系统将要挂起时，它就会保存设备的相关信息，当系统恢复时，a p m a w a r e 驱动程序再将这些信息重新恢复。 4 )a p m 硬件遵循电源管理接口规范的主板上的硬件设备。 5 )附加设备不在主板上的可插拔设备，如p c m c i a 卡、m m c 卡等，相应的 a p m a w a r e 驱动程序为它们提供电源管理软件接口。 2 1 1 2a p m 系统模型 a p m 的目的是当系统或系统中的硬件设备在满足一定的条件时，自动转换运行状态， 视情况而定，如，可以进入到低功耗状态或者关闭状态，也或是恢复至正常运行状态。因 而a p m 定义了五种系统电源状态，它们的主要差别是系统功耗的大小。 1 )满负荷态( f u l lo n ) 这是系统没有实施电源管理策略时的缺省状态，整个系统( 包 括所有没备) 都处在：【作状态。 2 ) 使能态( a p me n a b l e d ) 系统正在： 作并且实施了电源管理策略，一些没有被使 用到的设备将会被关闭。 3 ) 待机态( a p ms t a n d b y ) 当系统在一小段时间内没有活动时，将进入到该状态， 此时系统可能已经停止二 作，大部分设备处于低功耗模式，但是中断仍是可以处 理的。一旦有活动发生，如定时器事件发生用户的直接干预可以是系统立即恢复 到a p m 使能态。 4 ) 挂起态( a p ms u s p e n d ) 当系统在a p ms t a n d b y 状态的时间超过规定时间时，系 统将进入更深层的= 常电状态a p ms u s p e n d 态，此时系统停1 上：l ：作，大部分设备已 4 第二章低功耗管理技术综述 经被关闭，当有唤醒事件发生时，系统将恢复到a p me n a b l e d 态。这一恢复过程 一般需要较长的时间。 5 )关机态( 0 f f ) 系统停止工作，电源被关闭，当复位时系统将进入满负荷初始状态。 图2 2 说明了这五种状态之间的转换过程。 设备响应能 力逐渐减弱 2 1 2a c p i 图2 2a p m 系统状态转换图 系统耗电量 逐渐增加 a p m 一开始包含在微软的w i n d o w s 操作系统中，在便携式电脑和台式机中都获得了 广泛的应用，从1 9 9 4 年开始，l i n u x 也开始支持a p m 标准。然而a p m 的一个很大的缺点 是它的电源管理是基于b 1 0 s 的，从上一节对a p m 的： 作原理及模型分析可以看出，b i o s 负责系统大部分的电源管理： 作，而操作系统只是协助b i o s 做电源管理的：c 作，也就是 说，它没有电源管理的控制权，它甚至不知到a p m 在做什么，因为b 1 0 s 一般是由厂商提 供的。因此a p m 实际上是一个b i o s 的接口标准，它的电源管理策略位于b 1 0 s 中，非常 低级。有鉴于此，i n t e l 和m i c r o s o f t 公司制定了a c p i ( 高级配置和电源接口) 标准，后来 陆续有c o m p a q ，t o s h i b a 和p h o e n i x 等公司加入。 不同于a p m ，a c p i 体系结构中，操作系统拥有完全的电源管理控制权，它的电源管 理策略位于操作系统层。因为从理论上讲，操作系统可以全权管理设备电源，并且它也能 够知道自己什么时候处于空闲。对于操作系统级电源管理来说，a c p i 是其中最重要的部 分。 a c p i 是a p m 的一个发展，它已经不仅仅是一个软件接口的规范，也是一个硬件接口 的规范，实际上是一个综合了软硬件的接口规范。 5 i【rr，-， 东南大学硕士学位论文 图2 3a c p i 系统框图 图2 3 显示了a c p i 包含的软硬件组成以及他们之问的相互关系，其中a c p i 包含的内 容在双点划框内，位于操作系统层中，它控制着整个系统和系统中每个设备的电源状态。 a c p i 定义了比a p m 更加广泛的内容，主要包括：系统电源管理、设备电源管理、处理器 电源管理、系统核设备性能管理、热插拔设备管理、系统事件管理、电池管理、热量管理、 嵌入控制器管理等等。因此位于操作系统层的a c p i 具有更加强大的功能，也具有更强的 灵活性。为了增加a c p i 的可移植性，a c p i 为软硬件之间的接口设计了一种伪代码语言 a m l ( a c p im a c h j n el a n g u a g e ) ，硬件o e m 厂商和驱动程序提供者可以使用这种语言来 定义设备的电源管理接口，支持a c p i 的操作系统也必须包含或者提供用于解释a m l 的解 释器，这样支持a c p i 的操作系统就可以在不同的硬件平台上使用a c p i 。 同时a c p i 系统电源管理状态转换图比a p m 定义的更加详细，规定了更细致的系统电 源状态，可以获得更好的省电效果。 2 2 低功耗管理策略的研究现状 系统级功耗管理技术一直是电子领域的研究热点，尤其是当前随着便携式电脑和手持 式设备等电池供电设备的发展与普及，系统级低功耗设计技术的重要性越来越突出。目前 实验室研究的主要方向集中在低功耗管理策略的研究上。 2 2 1 低功耗管理策略的基本思想 在计算机系统中，我们可以将：【作量看成是有多个对设备的任务请求构成的。这种请 求可以是对设备的读写命令，也可以是设备接受或发送数据命令等。当有任务请求时，设 备将处于“忙”( b u s y ) 状态，否则没备处于“空闲”( i d l e ) 状态。当设备进入空闲状态时， 6 第二章低功耗管理技术综述 可以将其关闭，使之进入低耗能的睡眠状态；当再次接到任务请求后，设备被唤起工作， 这就是所谓的“电源管理”。 图2 4 显示了电源管理的基本思想，图中t 1 一吖这段时间内设备处于i d l e 状态，在 i d l e 状态下设备有可能进入耗能更低的s l e e p 状态。该设备在他处被关闭，经过一段时间 的睡眠后在t 4 处接受任务请求而被唤醒。在： 作状态转换的过程中需要消耗一定的时问， 图中t o f r 和t o n 分别代表设备在关闭和唤醒时的延时。不同的设备这种延时各不相同，并 且唤醒一个处于睡眠状态设备还需要花费额外的能量。但是这种额外的开销是无法省去的， 假如没有这些额外开销的话，也就没有必要进行电源管理了，只要设备进入空闲直接关闭 就行了。同样，如果一个设备进行状态转换所节省的能量无法抵消因为转换而引起的这些 额外开销的话，那么，这个转换就是完全没有必要的。电源管理策略就是为一个设备是否 值得关闭这一问题而制定的。 ：| 二作量 设僦 设备忙 设备空闲 设备忙 运行态 t o 仟 睡眠态 t 0 。运行态l 由曰由 图2 4 二 作量、设备状态、功耗状态图 2 2 2 低功耗管理策略 在低功耗管理这一领域，主要采用的有两种技术，动态电源管理技术( 如d y n a m i c p o w e rm a n a g e m e n t ) 和静态电源管理技术( s t a t i c 币m e o u ts c h e m e ) 。 1 静态技术 最普通、使用最为广泛的一种p m 预测策略就是静态超时技术【l2 1 ，这也是我们的系统 中将要采用的策略，它的原理是：在进入空闲模式后开始一个计时，当到达计时点时将系 统转入睡眠，目前的商用产品中大多数基于这种策略。 该原理的一个前提条件是如果一个设备已经空闲了一段时问，那么它至少还能保持某 段长度的时间。假设超时值为t ，保持时间为t k e e p ”一般来说t k e e p 包含两个部分：状态转 换时间( t 0 _ d 和t d o ) ，二是抵消状态转换过程中额外开销所需要的最小时问t t r a d 。f f 。 如图2 5 所示：t o - d 表示从开启到关闭的时间，t d o 表示从关闭开启所用的时间。p o d 和p d o 分别表示在相应的时间里的能耗。 7 东南大学硕士学位论文 p 0 n p do p od p o 仟 图2 5m m e o u t 状态切换时间示意图 从图中我们可以得出这样的方程式：1 o - d 术p o - d + t d o 木p d o + t t r a d e o f f 术p o f r = p o n 术t k e e p ， 从中我们可以求出t t r a d e o f f 及t k e e p = 1 1 0 _ d + t d o + t t m d e o f f 。 静态超时策略是一种比较简单的技术，它的不足之处在于： 1 )在等待超时时间的过程中会造成电源的浪费； 2 )在系统从s l e e p 模式中恢复的过程中，由于状态转换时问比较长，因此会对系统 性能有一定影响，特别是对实时性要求比较高的系统，这种情况可能是无法忍受 的。 2 动态技术 动态电源管理技术【5 ( d p m ：d y n a m i cp o w e rm a n a g e m e n t ) ，是当系统负载比较低或者 没有： 作负载时通过变换其运行模式来降低系统功耗。这是一种动态配置技术，它可以使 系统在最少的活动模块和最小的负载情况下，提供并满足所需要的服务利性能。d p m 包含 很多技术，它通过有选择地将处于空闲或者不完全使用状态的设备进行关闭来达到更有效 地使用电源的目的。 d p m 策略可以分为两大类：预测技术( p r e d i c t i v em e t h o d ) 和随机控制( s t o c h a s t i c m e t h o d ) 。一般情况下，d p m 策略都是依靠仿真而不是通过对实际系统的测量的方法来进 行评估的，这是因为很难配置出一个能灵活地适应于多种策略的环境。另外由于采用d p m 技术的软硬件交互比较复杂，只有通过对运行真实程序的系统进行试验评估才能正确判断 p m 原理的有效性。 在众多动态电源管理技术中，我们重点介绍动态策略中的预测技术。 预测技术 d p m 的预测技术可以分为两大类：白适应和非白适应。在非白适应系统中，门槛值( 超 时值) 只设置一次，以后再也不会改变，因此可能造成空闲周期裕度性( 超时时间) 能量 损失。而白适应策略则利用历史的i d l e 周期记录来指导用来预测将来i d l e 预测周期的原理。 现在也提出了许多自适应策略，其中有一种基于白适应学习树( a d a p t i v el e a r n i n gt r e e ) 的预测原理，该树结构在许多系统中都表现出了健壮性。 预测技术在进入i d 】e 之前首先预测i d l e 的时间，这样就消除了t i m e o u t 策略中的超时 时间。任务请求使得设备在b u s v 和i d l e 状态之间进行转换。 1 )静态预知方法 8 第二章低功耗管理技术综述 a 固定超时法：最普遍的电源管理预知法，它采用过去的空闲时间作为观察校本对 象来预知当前空闲时段的总持续时间。此方法总结如下：空闲时钟开始，计时器 开始计时，如果超过固定超时时间t 0 系统仍处于空闲状态，则电源管理使得系统 休眠，直到接收到外界请求，标志着空闲状态的结束。能够合理地选择哟显然 是这种方法的关键。通常在要求不高的情况下取t o = t k e e p 。固定超时法的优点有 二：普遍适用，实现起来较为容易；增加固定超时值可以减少“过度预知”( 即 预知时间比实际空闲时间长) 的可能性。但是其缺点也明显：固定超时过大则将 引起预知不足，结果不能有效的节省能量，相当多的能量浪费在等待超时上。 b 预知关闭法：此方法可以解决固定超时法中等待固定超时而耗费过多能量的问题， 即预知到系统的空闲可能性就立即关闭系统，无需等到空闲时间超过超时值。预 知方法是对历史： 作量的统计上做的有肯定性估计。 c 预知唤起法：可以解决固定超时方法中唤起时的性能损耗。当预知空闲时间超时 后则系统唤起，即使此时没有接收收到任何系统请求。使用此方法应注意的是， 如果币d l e 被“预知不足”，则这种方法增加了能量的消耗，但同时也减少了等待接 收第一个系统请求的时问，还是在一定程度上节省了能量，提高了系统性能。 2 ) 动态预知方法 由于动态电源管理方法的最优化取决于对二 作量的统计，当： 作量既未知又非静态时， 静态预知方法就不是十分有效。因此，就有了动态预知方法。对非静态： 作量有j l 种动态 的预知方法。 a 设定一套超时值，每个值与一个参数相关。此参数表明超时值选择的准确性。此方 法是在每一个空闲时间内，选择这些超时值中最有效的一个值。 b 此方法同样有一些供选择的超时值，分配给每个值一个“权”。此“权”是对过去相同 要求下，采取此超时值带来的满意度为衡量对象抽象出的参数。实际采用的超时值 是取所有被选超时值的权的平均数。 c 只采用一个超时值，当选择此超时值后会引起许多不尽如人意的“系统关闭”后，再 适当增加此值。当更多的“系统关闭”可以被接受了，则适当降低此值。 2 3 本章小结 本章主要介绍了当前计算机系统中的电源管理技术规范及管理策略。其中第一节介绍 了电源管理领域广泛采用的两大技术标准，高级电源管理( a p m ) 标准和高级配置和电源 接口( a c p i ) 标准，着重讲述了电源管理的基本原理，体系架构等；第二节介绍了在电源 管理中通常使用的管理策略，其中对静态超时策略我们作了重点介绍，动态策略也作了一 定的讲述。相对于静态策略这种技术有明显的优点，但是实现起来比较复杂，可作为后续 研究的方向。 9 东南大学硕士学位论文 第三章软硬件开发平台介绍 因为系统级功耗管理是结合了软硬件的一种降低系统功耗的方法，在执行的过程中需 要硬件部分和软件部分的协同工作，因此本章将对我们目标系统中使用的软硬件平台做必 要的介绍。 3 1 硬件开发平台 在一个已设计好的硬件平台上，功耗管理最终的管理对象是系统内的各个硬件模块， 在制定低功耗管理方案时首先要考虑目标系统所有的功能模块，尤其是包括c p u 和耗能比 较大的外围设备模块，了解它们的电气特性，结构特点，：亡作状况等，最后依据它们的功 耗大小划分功耗级别，并在此基础上针对不同模块采取不同处理方法。因此有必要对我们 的硬件平台有一定的了解。 3 1 1g a r f i e l d 处理器 g a m e ld l 刮处理器芯片是东南大学专用集成电路系统： 程技术研究中心设计的一款 1 6 3 2 位r j s c 微控制器，主要面向低成本手持设备和其它通用嵌入式设备。 s e p 3 2 0 3 g a 币e l d 移动终端应用处理器针对低成本个人移动终端的应用需求，为用户提供 了面向移动终端应用的丰富外设、低功耗管理和低成本的外存配置。 s e p 3 2 0 3 处理器内嵌由英国a r m 公司提供的a r m 丌d m l 【1 1 处理器内核，全芯片可稳 定运行在7 5 m h z 。集成了支持黑白，灰度，彩色的l c d 控制器；多媒体加速模块，用于 提供多媒体处理定点矢量乘加的计算能力：支持低成本的n a n df i a s h 控制器并可从其直 接启动；支持多种外存类型：s r a m ，n o rf i a s h ，s d r a m ；支持实时钟( r t c ) ；支持 四通道的定时器和两通道的p w m ；支持用于连接触摸屏通讯的s p i 协议；支持两个u a r t 控制器，其中一个支持红外传输；支持u s b l 1d e v i c e 控制器用于p c 与移动终端之间的 高速信息传输；支持m m c 卡控制器，用户可以扩展系统的存储能力和外设功能：支持兼 容a c 9 7 协议的控制器，用于音频文件的捅放利录制。s e p 3 2 0 3 处理器内嵌2 0 k b v t e 零 等待的静态存储器( s r a m ) ，用于多媒体处理时的核心代码与数据的存放，用户也可以将 操作系统的核心代码或l c d 帧缓存存放在该处理器中，用于提供更高的性能和更低的能量 消耗；6 通道d m a 控制器，为用户提高了高速的数据传输通道。为了支持低成本的系统 方案，s e p 3 2 0 3 支持外部3 2 位门6 位数据总线，结合a r m 提供的t h u m b 指令集，将大 大降低系统成本和功耗，考虑到n a n df i a s h 的成本优势，s e p 3 2 0 3 处理器提供专用的 n a n df l a s h 控制器，并支持系统真接从n a n df l a s h 启动。 g a r f i e i d 芯片中集成各种功能模块： a r m 7 t d m i ，最高支持7 5 m h z s r a m s d r a m n a n df l a s h n o rf a l s h 控南0 器 内嵌2 0 k b e 片上e s r a m 单色4 级灰度门6 级灰度4 k 彩色6 4 k 彩色l c d 控制器 多媒体加速模块m m a ，支持m p 3 解码、m p e g 4q c i f 和w m a 解码 1 0 第三章软硬件开发平台介绍 a c 9 7 音频接口，支持2 通道放音和1 通道录音 兼容u s b l 1 的u s b 客户端控制器 m m c 卡控制器 中断控制器，3 2 个中断源，其中1 8 个外部中断 1 通道r t c ，支持日历功能 4 通道t l m e r 2 通道p w m 2 通道u a r t ，均支持红外通讯 1 通道s p i ，用于触摸屏数据采样 2 通道片上p l l ，1 个用于系统时钟，1 个用于u s b 控制器 4 种功耗模式，i d l e 、s l o w 、n o r m a l 、s l e e p 支持从片外n o rf l a s h 或者n a n df l a s h 启动 图3 1 为g a 币e l d 芯片的系统架构图。 图3 1g a m e l d 系统架构框图 在g a 币e l d 中，时钟和功耗管理( p m u ) 模块在功耗管理中将起着很重要的作用，所 以在3 1 2 我们单独对这一模块其做出比较详细的介绍。 3 1 2 时钟和功耗管理( p m u ) 模块 时钟和功耗管理( p m u ) 控制g a 币e l d 不同：【作模式之间的切换和片内各模块的时钟 源供给。这些： 作模式的开发目的是根据芯片不同的应用，通过动态地管理芯片内部各子 模块的时钟源供给和系统的：i ：作频率，从而降低芯片的整体功耗。 p m u 的时钟电路结构框图如下： 东南大学硕士学位论文 0 s c i l 蛔凹瑚j ! r 图3 2p m u 时钟电路结构框图： 如图3 2 ，其中1 0 z 作为主时钟源，向主p l l 和u s b _ p l l 提供时钟，其中p l l 可以将1 0 m h z 的时钟倍频至8 0 m h z 。同时1 0 m h z 时钟还可以不通过主p l l 而直接提供给处理器。另外 3 2 7 6 8 k h z 是r t c 模块和r e s e t 模块时钟源，它在系统睡眠依然会向这两部分提供时钟输入。 这一模块包含了各个系统子模块的时钟控制电路，它可以集中控制、关闭不必要打开的 模块达到低功耗的目的。 p m u 模块内的寄存器描述如下： 1 ) p m u 的p l l 稳定过渡时间寄存器( p l t r ) p l l 的稳定过渡时间是指p l l 配置过程中从不稳定状态过渡到稳定状态的时间。这 样可以保证系统中的时钟信号没有毛刺和抖动，否则会导致同步系统的失败。为了 p l l 的稳定过渡，p u r 分别给系统中的主p l l 和u s b 的p l l 设置一个相对保守 时间。 2 )p m u 的主p l l 控制寄存器( p m c r ) p m u 的主p l l 控制寄存器完成对主p l l 的倍频因子的配置，同时完成在n o r m a l ： = 作模式下对主p l l 的倍频重配置。 3 )p m u 的u s b 的p l l 控制寄存器( p u c r ) p m u 的u s b 的p l l 控制寄存器完成对u s b 的p l l 的倍频因子的配置，以及完成 对它开和关的管理。 4 )p m u 的内部时钟源控制寄存器( p c s r ) 完成对g a 确e l di i 内部各个子模块的时钟源供给的管理，根据当前系统的应用，通 过动态地控制各个子模块的时钟源，可以大大降低系统的整体功耗。 5 ) p m u 的系统工作模式控制寄存器( p m d r ) 通过配置该寄存器可以完成处理器四种：亡作模式之间的切换。 为了降低g a m e l d 的整体功耗，芯片在其：l ：作过程中开发出了其低功耗管理机制中的 四种： 作模式：s l o w 、n o r m a l 、i d l e 和s 】e e p ，如表3 1 所示。 1 2 第三章软硬件开发平台介绍 表3 一l处理器工作模式定义 模式 s l o wn o r m a li d l e s l e e p 状态由晶振提供c p u 核由p l l 提供c p u关闭c p u 核的时关闭c p u 核和所 和各模块的时钟源核和各模块的时钟源有模块的时钟源 钟源 c p u 核状态开开关关 模块状态不确定1不确定不确定关2 不确定。：有些模块是和系统运行相关的，必须始终处在开启状态，如r t c 、g p t 、i n t c 等，其他模块的时钟源可以根据系统应用的需要打开或关闭。 关2 ：这时只有r t c 还开着，但它的时钟源已经被切换到另一个专用的3 2 7 6 8 k 晶振。 处理器四种： 作模式的详细描述如下： 1 ) s l o w 模式 此时处理器核的主频来自1 0 z 晶振，当系统复位以后或当系统不需要高速时钟 运行时，关掉主p l l 使处理器进入到s 1 0 w 模式。 2 )n o r m a l 模式 处理器核利所有模块的时钟源都来自主p l l ，该模式下处理器核的频率通过p l l 倍频最大可达到8 0 m h z 。其它模块的时钟源根据系统需要可以关闭或打开。 3 )i d l e 模式 仅c p u 核的时钟源被关闭，其它模块保持在n o r m a l 模式下的状态。当c p u 核已 经处理完了所有任务，在很长一段时间内都将处于空闲状态，那么可以使它进入 到i d l e 模式。在这种模式下不可以动态配置p l l 以得到不同的时钟频率，也不 可以动态地管理各模块的时钟源，因为这时处理器核已经休眠了，它无法对功耗 管理模块内部的寄存器进行配置。 4 )s 1 e e p 模式 除r t c 模块外，c p u 核和其它所有模块的时钟源均被关闭。如果整个系统都已 经处理完所有的事务，并且在很长的一段时间内都将处于空闲状态，那么可以使 处理器进入s l e e p 模式。 3 1 3 处理器的唤醒机制 唤醒机制是为了帮助处理器从i d l e 模式或s l e e p 模式中恢复出来，建立完善的、有效的 唤醒机制是必须的，因为这将从硬件上保证处理器不会“瘫痪”下去。 从工d l e 中恢复出来的秽【制： 1 )内部所有模块的中断信号。处理器回到进入i d l e 前的模式( s l o w 或n o r m a l ) 。 2 )外部的i nw