（电路与系统专业论文）嵌入式系统的低功耗研究.pdf

摘要 嵌入式系统的应用随着各种智能控制系统、智能玩具、工业控制、掌上设备等 的需求而不断扩大和流行。特别是近几年来，随着手机、p d a 、m p 3 等掌上系统的 流行，使得系统功耗成为产品的设计瓶颈，也成为产品设计的关键技术之一。嵌入 式系统低功耗设计的目标是在满足用户对性能需求的前提下，尽可能降低系统的能 耗，延长设备的待机时间。随着嵌入式设备小体积、高性能与有限的电池能量之间 矛盾的同益突出，嵌入式系统低功耗设计成为解决这一矛盾的有效手段。 功耗问题是一个系统问题，想要有效的降低整体功耗，需要同时考虑硬件和软 件的设计，以及他们的配合。硬件是系统运行的物质平台，包括处理器和外围设备。 处理器的低功耗设计大都采用系统级，其技术主要包括：可重配置的c a c h e 及动态 关闭c a c h e 技术，门控时钟技术，动态电压缩放d v s ( d y n a m i cv o l t a g es c a l i n g ) 技 术，多核技术等。外围设备低功耗设计包括：合理设计外围电路模块，关闭设备空 闲部件；在满足基本性能要求前提下，尽量选择低功耗器件。软件的低功耗设计主 要包括编译优化，电源管理以及应用软件的编写等。针对嵌入式系统工作负载不均 匀以及动态变化这一特点，近年来提出一种动态电源管理d p m ( d y n a m i cp o 、e r m a n a g e m e n t ) 技术，它提供一种操作系统级别的电源管理能力，当程序在运行时考 虑执行电源管理的策略。 本文对l i n u x 操作系统进行了深入的研究，通过修改l i n u x 调度算法，使调度 算法根据运行队列中的进程数实现可变电压技术，改变处理器的工作频率和电压， 降低功耗。而且，在有实时进程存在的情况下，为了满足系统的响应速度将关闭功 耗处理功能，使l i n u x 操作系统不仅起到低功耗的设计目的，又不影响系统的响应 速度。 最后，通过s k y e y e 软件模拟基于p x a 2 5 0 处理器的l u b b o c k 开发板，验证了对 l i n u x 操作系统的低功耗改进。 关键字：嵌入式系统；低功耗；l i n u x 操作系统；调度算法；p x a 2 5 0 a b s t r a c t a st h ed e m a n df o rd i v e r s i f i e di n t e l l i g e n tc o n t r 0 1s v s t e m s ，s m a r tt o v s ，i n d u s t r i a l c o n t r o l ，h a n d h e l dd e v i c e s ，t h ea p p l i c a t i o no ft h ee m b e d d e ds y s t e mc o n s t a n t l yg r o w i n g a n dp o p u l a r e s p e c i a l l yi nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h ep o p u l a r i t yo fc e l lp h o n e ，p d a ，m p 3a n d o t h e rp o p u l a rh a n d h e l ds y s t e m ，s y s t e mp o w e rc o n s u m p t i o nb e c a m et h eb o n j e n e c ka n d o n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e so ft h ep r o d u c td e s i g n t bm e e tt h ep e r f l o 肿a n c en e e d so fu s e r s o nt h ep r e m i s e ，t h eg o a lo fl o w p o w e re m b e d d e ds y s t e md e s i g ni sr e d u c es v s t e mp o w e r c o n s u n l p t i o na sm u c ha sp o s s i b l e ， a n de x t e n de q u i p m e n ts t a n d b vt i m e w i t ht h e i n c r e a s i n g l yp m m i n e n tc o n t r a d i c t i o n sb e t w e e nt h ee m b e d d e dd e v i c e ss m a l ls i z e ，h i g h p e r f o r n l a n c ea n dl i m i t e db a t t e wp o w e rc o n t r a d i c t i o n ，l o w p o w e re m b e d d e ds y s t e m d e s i g nb e c o m ea ne f f e c t i v em e a n st or e s o l v et h i sc o n t r a d i c t i o n p o w e rc o n s u m p t i o ni sas y s t e mp r o b l e m ，、a n tt oe 行e c t i v e i yr e d u c et h eo v e r a l l p o w e rc o n s u m p t i o n ，m u s t t a k i n gi n t oa c c o u n tt h en e e d so fh a r d w a r ea n ds o r w a r ed e s i g n ， a sw e l la st h e i rc o o r d i n a t i o n h a r d w a r ei st h es u b s t a n c e sp l a t f o mo fo p e r a t i n gs y s t e m ， i n c l u d j n gp r o c e s s o r sa n dp e r i p h e r a l s l o w p o w e rp r o c e s s o rm o s ta d o p tt h es y s t e m - l e v e l d e s i g n ，t h et e c h n o l o g i e si n c l u d e ：r e c o n f i g u r a b l ed y n a m i cc a c h ea n dc a c h ec l o s e d ，g a t e d c l o c kt e c h n o l o g y ， d y n a m i cv o l t a g es c a l i n gd v st e c h n o l o g y ，m u l t i c o r et e c h n o l o g y p e r i p h e r a le q u i p m e n tl o wp o w e rd e s i g ni n c l u d e ：d e s i g nar e a s o n a b l ee x t e m a lc i r c u i t m o d u l e s ，c l o s i n gi d l ee q u i p m e n tc o m p o n e n t s ；m e e tb a s i cp e r f o m l a n c er e q u i r e m e n t s p r e m i s e ，c h o o s el o w - p o w e rd e v i c e s ，a n ds oo n s o f t w a r el o w - p o w e rd e s i g ni n c l u d i n g c o m p i l e ro p t i m i z a t i o n ，p o w e rm a n a g e m e n t ，a n d 印p l i c a t i o ns o 缸w a r ec o m p i l e sa n ds oo n f o re m b e d d e ds y s t e m s ，t h eu n e v e n 、v o r kl o a da s 、v e l la sd y n a m i c c h a n g e ，i nr e c e n ty e a r s ， t h e r e印p e a r sad y n a m i cp o w e rm a n a g e m e n td p mt e c h n o l o g y ，w h i c hp r o v i d e sa n o p e r a t i n gs y s t e m - l e v e lp o w e rm a n a g e m e n tc a p a b i l i t i e s ，c o n s i d e rt h ei m p l e m e n t a t i o no f p o w e rm a n a g e m e n ts t r a t e g yw h e np r o c e d u r e si nt h er u n n i n g b a s e do nt h el i n u xo p e r a t i n gs y s t e mr e s e a r c h ，t h r o u g ht h er e v i s i o no fl i n u x s c h e d u l i n ga l g o r i t h m ， t h es c h e d u l i n ga l g o r i t h mi na c c o r d a n c e w i t ht h ep r o c e s so f m n q u e u et oa c h i e v ev a r i 百b l ev o l t a g et e c h n i q u e s ，a n dc h a n g et h ep r o c e s s o r 抒e q u e n c y a n dv o l t a g et ol o w e rp o w e rc o n s u m p t i o n b u ti nar e a l t i m ep r o c e s s ，w h e r ei te x i s t s ，i n o r d e rt om e e tt h er e s p o n s eo ft h ep r o c e s s i n g ，p o w e rc o n s u m p t i o nc o n t r o lw i l lb ec l o s e d l l i n u xo p e r a t i n gs y s t e ms ot h a tn o to n l yt h ed e s i g no fal o w p o w e rp u 叩o s e s ，b u ta l s o a f r e c t i n gt h es y s t e m sr e s p o n s i v e n e s s f i n a l l y u s et h es i m u l a t i o ns o r 、v a r es k y e y et os i m u i a t et h el u b b o c kd e v e l o p m e m b o a r db a s e do np x a 2 5 0p r o c e s s o r ，v a l i d a t e dt h ei m p r o v eo fl i n u xo p e r a t i n gs y s t e mf i o r l o w - p o w e rd e s i g n k e yw o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m s ；l o wp o w e r ；l i n u xo p e r a t i n gs y s t e m ； s c h e d u l i n ga l g o r i t h m ；p x a 2 5 0 h 独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师指导下独立进行研究工作所取得 的成果。据我所知，除了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。对本人的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了 明确的说明。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 学位论文使用授权书 本学位论文作者完全了解东北师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即：东 北师范大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权东北师范大学可以采用影印、缩印或其它复制手段保存、 汇编本学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士学位论文全文数据库 ( 中国学术期：l ：i j ( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论文全文数据库( 中国科学技 术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式出版发行和提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：丝整垫 日 期：迎壁：兰弘 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 指导教师签名： 电话： 邮编： 东北师范大学硕士学位论文 第一章引言 1 1 嵌入式系统 嵌入式系统( e m b e d d e ds v s t e m ) ，全称嵌入式计算机系统，是指以应用为中心， 以计算机技术为基础、软硬件可裁剪、适应应用环境对功能、实时性、可靠性、成 本、体积、功耗等严格约束的专业计算机系统。他的基本特征是以应用为中心，系 统的功能、性能、组成和表现形式都按照应用需求确定，具有运用环境千差万别、 硬件平台丰富多样、软硬件高度融合、系统资源有限、运用稳定可靠等特点。 实时系统( r e a l t i m es y s t e m ) ，全称实时计算机系统，是指必须在其运行环境 规定的时间范伟内响应环境激励的计算机系统。实时系统的j 下确性不仅依赖于系统 计算的逻辑结果，还依赖于产生输出结果的时间。实时系统的基本特性是响应时间 的确定性或可预测性。 嵌入式系统的最大特点是其具有目的性或针对性，即嵌入式系统是为了满足某 个特定领域内的需求而开发的，因此它常常受到空间、成本和存储等条件的限制。 这也决定了嵌入式系统在实时性及功耗等方面较其它计算机系统而言，有较为苛刻 的要求【。 从9 0 年代后期开始，随着网络时代的来临和无线通讯技术的发展，许多嵌入 式设备需要更智能化和更强的计算能力，如：采集、处理和传输音频或视频数据； 运行图形用户界面；支持无线通讯和以太网通讯协议等。以a r m 、p o w e r p c 、m i p s 等为代表的3 2 位高性能嵌入式处理器，具有良好的可扩展性和丰富的软件支持， 逐渐成为业界发展的主流。随着超大规模集成电路芯片的规模不断增大，芯片的功 耗也不断增大，嵌入式设备和手持设备对： ! ；：片功耗的要求更加严格【lj 。芯片功耗已 经成为与面积和性能同等重要的设计要素，在特定领域，功耗指标甚至成为第一要 素1 2 j 。系统集成度和整体功耗这两个指标相互促进，又相互制约。如何取得性能的 平衡，使之符合应用的需求，成为嵌入式系统设计的重点之一。 英特尔公司首席执行官兼总裁保罗欧德宁曾向业界传达了一个新的信息：目 前，i t 公司，至少是英特尔本身，正在向“每瓦性能比”( 性能瓦) 的方向日订进。 也就是说，功耗，将成为产业能否为消费者提供功能更强大、纤细轻巧的电脑产品 的关键点。 随着对嵌入式系统处理性能要求的进一步提高，多处理器系统丌始引入了嵌入 式系统，而且j 下在得到越来越广泛的应用。这给嵌入式系统的设计应用带来了更大 的复杂性，也带来了更多的研究领域及挑战，包括更复杂的处理器控制算法，更严 格的功耗管理。 1 东北师范大学硕士学位论文 1 2 低功耗研究的必要性 1 、低功耗是国际上节能和绿色环保的要求 实际上节能是全球化的热潮，如计算机里的许多芯片过去用5 v 供电，现在用 3 3 v 、1 8 v ，并提出了绿色电器的概念。很多厂商很注重微控制器的低功耗问题， 例如n e c 公司从一开始就注重把功耗做得很低，n e c 微控制器的s t o p 方式可把电流降 到0 0 2 微安。微控制器种类很多，使用时可改变和设置的内容也很广泛，包括时钟 的频率、c p u 的频率，设置时有很多的表格，看起来好象很烦琐，实际上用起来很 省事，在不工作任务少的时候，可把c p u 的频率降得很低，几兆直至几十h z ，功耗 则随频率呈非线性下降。 发展低功耗技术，生产大量的绿色电子产品，由此带来的能源节省对人类的生 态环境是很有裨益的。 2 、电源设备成本 对于电池供电的移动设备来说，由于电池电量和电池的体积有着直接的关系， 在保证相同的工作时间和工作任务的要求下，较大的功耗则意味着更高容量的电 源，这无疑意味着成本的增加；而且，这对于某些电源补给比较困难的敏感应用领 域，供电装置的成本问题显得尤其重要，如通信卫星使用是太阳能帆板米获取全部 运行的能量的，如果体积过于庞大，势必会带来从火箭设计、发射到太空运行的一 系列问题；另外，电池容量的增长速度远远赶不上集成电路的发展要求，如：传统 的l i i o n 电池大概为6 0 千瓦时千克，其容量在1 0 年内只是提高了1 0 左右瞄1 ，而芯 片的功耗却呈指数形式增长，已经达到了几十倍，如果不采用一定的手段降低芯片 的功耗，电源将成为移动设备的一个重要瓶颈，严重影响着移动设备的的迸一步发 展和广泛应用。 3 、芯片封装及散热成本 高性能芯片的共同特点是具有高集成度和高时钟频率，这种芯片的功耗和温度 随着时钟频率的增加而增加。为了把芯片的温度保持在正常的工作范围，就必须进 行有效的封装、冷却和散热设计。芯片封装材料的一个重要特性是热阻( t h e 硼a 1 r e s i s t a n c e ) ，即单位功耗导致该材料温度的变化量( w a t t ) ，它反映了该材 料的散热能力，数值越大的材料的价格就越高。对于工作温度较低的芯片，我们可 以采用成本较低的塑料封装( 4 0 一5 0 w a t t ) ，而对工作温度较高的芯片，需要 采用成本至少高上5 1 0 美元的陶瓷封装( 1 5 3 0 w a t t ) h 1 ，以保证芯片不会被 烧毁，另外温度过高的芯片还需要强有力的空气或者液冷等散热装置，这些都会增 加芯片成本。可以看出芯片的功耗在很大程度上决定着芯片的封装及散热装置成 本，而这些成本可能比量产后的芯核自身的成本还要高出很多。 5 、芯片测试及验证分析成本 研究表明，芯片在测试期间所消耗的功耗比正常运行时要高出数倍，为了保证 2 东北师范大学硕士学位论文 在测试时不会烧坏芯片，一种方法通过昂贵的封装和散热装置来实现，而测试及验 证分析是芯片量产的关键环节，这样无疑会增加芯片成本；当然我们可以使用降低 测试频率、降低测试跳变率等提高测试时间的方法降低测试功耗，但这样不但从一 定程度上影响了测试覆盖率和可测试的故障类型，降低了测试的效果，还很大程度 上延长了测试时间，这样又从另外一个方面提高了测试成本( 其他因素不变的条件 下，芯片的测试成本和测试时间成f 比) 。另外，在深亚微米或纳米工艺下，由于 功耗问题引起许多新的故障类型，传统的测试方法( 如：i d d q ) 在一定程度上失效， 采用更先进的测试设备方法又会提高测试成本。 6 、片上系统和移动设备的发展 片上系统的发展和芯片集成度的进一步提高使得单个芯核的面积越来越大，芯 核上集成的功能越来越多，芯片的整体功耗也相应地随之大幅度提高，这对低功耗 技术提出了更高的挑战。移动设备( 如手机、掌上电脑、移动多媒体，还有一些特 殊的应用如心脏起搏器等) 无法配备体积过大的散热装置，而且移动电源容量也是 很有限的，低功耗技术显得尤其重要。 7 、电池直接供电和低功耗提供了应用系统抗干扰新方法 随着现代科技的飞速发展，电子，电力和电气设备应用越来越广泛，它们在运 行中产生的高密度、宽频带的电磁信号充满了整个空间，形成复杂而恶劣的电磁环 境。近年来，e m c ( 电磁兼容) 标准在许多国家( 包括我国) 和地区逐渐成为电子 产品强制性执行标准，不满足e m c 标准的产品不能销售。低功耗设计可辅助解决 这些e m c 问题。 8 、芯片可靠性 数字电路的最大功耗和可靠性问题是密切相关的，电迁移和热载流子会导致器 件的老化，芯片散热而引起的热应力也是关系可靠性的主要问题之一。功耗增加所 引起的芯片温度升高将引发一系列的故障机制，例如硅片连线故障、封装故障、电 学参数漂移、电迁移等等啼1 。温度每升高1 度，器件的故障率就要提高2 倍哺1 。因此， 减少功耗对提高芯片的可靠性也是至关重要的。 1 3 低功耗技术的应用 低功耗技术已经被广泛应用于电池供电的移动设备、高性能系统芯片、高集成 度深工艺的芯片、片上系统及测试技术中，下面对其具体应用做一个简单的介绍： 电池供电设备 信息及通信技术的发展使得移动设备的应用在我们的同常生活和很多尖端科 学领域中都显得越来越重要，现在很多领域中，电子设备已经武装到了牙齿，这些 都给低功耗技术的发展带来了广阔的应用空间。 移动计算。如笔记本电脑、掌上电脑、掌上游戏机、计算器、p d a 、各种微 3 东北师范大学硕士学位论文 控制器、便捷式信息处理设备、无线传感器网络等； 移动通信。如手机、对讲机、寻呼机等无线通信设备、无线定位及信息系统、 有源r f i d 、智能卡、移动监测设备等； 多媒体设备。如移动多媒体设备、车载或机载音视频设备j 数码相机、数字 电视、收音机、多功能电子表等； 军事设备。如夜视仪、监视设备、通信卫星、空间站、军事用途的探测设备、 单兵作战电子系统等； 医药等专门领域。如助听器、可植入式心脏起搏器、实时电子护理等； 高性能计算领域 高性能计算设备往往由大量的计算资源组成，通过分布式或网格技术协同完成 任务。要提高系统性能及可靠性、提高抗噪声能力，就必须降低系统的功耗，这在 高性能计算、精密仪器仪表、精密控制等方面有着重要的应用。如处理器芯片，i m e l 的8 0 3 8 6 处理器的功耗不到3 瓦，而p e n t i u m 处理器的功耗已经到了5 5 。7 0 瓦， a m d 相对应的芯片的功耗更高，而高性能系统是由成千上万的这种芯片组成，高 可靠性、供电问题、散热问题等都已经成为难题。 同时芯片功耗也已经成为制约高性能芯片进一步发展的重要因素。由于顾及到 功耗的严重性，很多高性能芯片的设计都被迫放弃研究计划，采用精简的低功耗设 计方案。比如，在2 0 0 4 年，i n t e l 公司就是因为功耗过高而被迫放弃了其性能更优 的t e i a s 和j a y h a w k 处理器的研发计划1 7 】，其中t e j a s 样片的功耗超过了1 5 0 瓦。而 且，在系统集成过程中，常常为了避免功耗增加所带来的系统不稳定性，以及为了 延长电池的使用时间，不得不以牺牲系统性能为代价，使系统工作在相对低频的情 况下以降低系统功耗。 1 4 功耗的发展现状 随着集成电路工艺的飞速发展，集成度越来越高，单个芯片的功耗也越来越大， 这里就集成电路最显著的代表处理器功耗的发展来说明功耗的发展现状和低 功耗系统设计技术的重要性。 处理器是计算机最主要的部件，也是信息领域最核心的硬件基础。计算机在全 世界的广泛普及以及在各个领域的广泛应用，其整体消耗的能量也越来越大，而且 占全球能源消耗的比例还在增加。有数据报道：在1 9 9 2 年，全世界大约有8 7 m 个 c p u ，功耗约为1 6 0m 瓦；而到了2 0 0 1 年，全世界使用的c p u 已经达到5 0 0 m 个 以上，其功耗大约为9 0 0 0m 瓦，现在还在迅猛增长。随着芯核大小和主频的提高， 芯片的功耗已经增加到原来的三倍以上，由于处理器内部结构复杂程度迅速增加， 单个高性能处理器的最大功耗已经超过了1 0 0 瓦。另外，在人们熟悉的i n t e l 处理器 家族中，i n t e l4 8 6 d x 峰值消耗大约5 瓦，而p e n t i 啪1 4 g h z 的处理器却用到了 4 东北师范大学硕士学位论文 5 5 7 0 瓦以上，依靠主板供电变得非常困难，而且要用大功率风扇甚至液冷来解决 散热问题。值得注意的是，p e n t i u m 系列处理器从设计的一丌始就在各个阶段进 行了最先进的低功耗设计，但其功耗问题仍然相当严重，制约其最终性能，这更说 明了功耗问题的重要性。 1 5 低功耗设计方法概述 在计算机系统中直接消耗能量的是计算机硬件，包括处理器和存储器等核心部 件，也包括磁盘驱动器、网络通讯端口和显示设备等外围输入输出部件。总体而言， 系统中功耗分为数字电路功耗和模拟电路功耗，在嵌入式系统中数字电路功耗占系 统功耗的主要部分。 硬件低功耗设计为整个系统的低功耗运行提供硬件支持。由于硬件设计流程不 同，不同设计层次从不同的角度对功耗进行优化，各个层次的优化方法既具有自己 的优点，又具有各自的局限性。( 1 ) 系统级( s y s t e ml e v e l ) 基本思想是在部分模 块进入空闲状态后立即关闭，主要研究如何进行系统划分和状态预测；( 2 ) 体系结 构级( a r c h i t e c t u r a ll e v e l ) 主要方法是动态功耗管理，包括动态电压管理、动态频 率管理、低功耗调度策略和软硬件划分等；( 3 ) 算法级( a l g o r i t h ml e v e l ) 通过选 择适当的算法来减小跳变率，基本思想还是集中在通过软、硬件的合理划分来降低 电路功耗；( 4 ) 寄存器传输级( r e g i s t e rt r a l l s f e rl e v e l ) 主要有门控时钟、有限状 态机编码优化、通路平衡、总线编码优化等方法；( 5 ) 逻辑门级( g a t el e v e l ) 主 要出发点是减小负载电容，调整晶体管尺寸，选择功耗较低的逻辑器件，并尽可能 优化逻辑结构；( 6 ) 晶体管级( t r a l l s i s t o rl e v e l ) 主要是在功耗、面积、性能之间 进行折衷，通过控制生产工艺来降低功耗，最典型就是阈值电压控制法，电源门控 法【8 】等。 最后，需要指出的是近十几年来兴起的一种全新的低功耗技术一一绝热 ( a d i a b a t i c ) 电路技术，也叫电荷恢复( c h a r g e r e c o v e r y ) 电路技术。绝热电路技 术的主要特点是：它采用脉冲电压源为电路供电，由于电源中的电感和电路中的结 点电容构成振荡回路，它可以将电路用过的电荷回放给电源存储起来以备下次再使 用。由于采用这种技术设计出的电路的功耗能显著降低( 理论上说可以降为零) ， 现在已成为低功耗研究的一个热点。 以上从不同的层面简单介绍了一些降低功耗的设计方法，前人在实际工作中证 明，不同设计层次上对功耗的改善程度是不一样的，随着设计层次的提高，改善的 程度越大，所以在结构层和系统层进行低功耗设计将获得巨大的效益。但是相应的， 其复杂度也越高，在高层次修改电路结构时，会影响电路的很多方面，因此要考虑 的因素也越多，而在低层次优化功耗则考虑的因素较少，各有利弊。 5 东北师范大学硕士学位论文 现在对各个设计层级的功耗模拟方法和模拟工具的发展也很快，为低功耗设计 提供了方便快捷的途径。同时遗传算法、模拟退火算法、贪婪算法、以及遗传算法 和模拟退火算法相结合等优秀算法的应用也为低功电路的设计提供了很好的工具。 1 6 论文组织 第一章介绍嵌入式系统的概念和特点，叙述了嵌入式系统低功耗研究的必要 性。并且概述低功耗技术的应用，功耗的发展现状，低功耗设计的主要方法等。 第二章研究嵌入式硬件的低功耗技术，分析集成电路的功耗，减小功耗的方法， 阐述了目前嵌入式处理器的主要低功耗设计方法，外围硬件的主要低功耗设计方 法。 第三章研究嵌入式软件的低功耗技术，分析影响系统功耗的软件因素，包括编 译优化和应用软件的编写等；电源管理技术中，介绍a p m 和a c p i 两种电源管理 标准，对比分析a p m 和a c p i 的优缺点；最后分析了两种主流动态电源管理技术 d p m 及d v s 。 第四章介绍了p x a 2 5 0 处理器的内部结构和功能，重点分析了p x a 2 5 0 的低功 耗特性。通过对l i n u x 操作系统的分析，修改l i n u x 调度算法。理论上研究了l i n u x 内核改造原理以及改造后的进程执行流程，并且描述了这个基于l i n u x 操作系统低 功耗设计是如何构建以及如何实现的。 第五章介绍了s k y e y e 模拟软件及其应用。利用s k y e y e 模拟p x a 2 5 0 的l u b b o c k 开发板，并在其上运行设计的测试程序，对改进后的低功耗l i n u x 操作系统进行验 证，得到的结果符合我们所设定的要求。 第六章总结论文的工作，说明本文的主要工作以及下一步的研究方向。 6 东北师范大学硕士学位论文 第二章嵌入式硬件的低功耗技术 在嵌入式系统的设计中，低功耗设计是许多设计人员必须面对的问题，其原因 在于嵌入式系统被广泛应用于便携式和移动性较强的产品中去，而这些产品不是一 直都有充足的电源供应，往往是靠电池来供电，使用时问在很大程度上受到电池容 量的限制，增加电池电量受到材料和工艺等各个方面的限制。而且由于电池技术的 限制，增加电池电量的能力和速度也远远跟不上嵌入式系统对电量增加的需要。在 资源紧缺的今天，也不符合经济效益。因此，在设计嵌入式系统时，降低功耗成为 了必须的考虑因素。 随着电脑硬件性能的不断攀升，功耗越来越大，节能降耗便成为电脑硬件技术 不断发展中迫切需要解决的技术难题。处理器和外围设备都是硬件系统不可或缺 的，各自在系统功耗上占有相当比例，所以两者都是低功耗设计必须考虑的。现在 硬件的低功耗没计已经有了许多成熟的技术，线路层、门层、体系结构层丌发了很 多方法减少芯片内部的冗余能量消耗，这包括选择适当的晶体管大小，选择低功耗 的逻辑器件、多阈值电压、动态电压缩放技术、冗余部件关闭技术。动态电压缩放 和冗余部件关闭技术是在系统的较高层次完成的低功耗技术，可以通过硬件方法来 实现，同时通过软件来完成部件的管理。 2 1 集成电路的功耗分析 功耗即电源的电能转化为热能的量。从宏观结构上看，集成电路功耗来自i c 内 部的各个功能模块及功能模块间总线的功耗，而功能模块的划分、功能特性、数量 和相互关系是在系统结构级设计时确定的。集成电路的功耗是各功能模块的功耗的 总和。对性能的不同要求，对模块的功能要求就不同，从而影响集成电路的实现规 模。功能越复杂，实现规模越大，集成电路的功耗就越高。目前集成电路主要以静 态c m o s 为主。c m o s 逻辑电路有许多优点：集成度高，功耗低，输入电流小，连 接方便和具有比例性。目前，在嵌入式硬件设计中，无论是微处理器，还是外围电 路中，都在使用c m o s 逻辑电路。从微观电路实现上看，集成电路( i c ) 的功耗主 要由以下两个方面组成：动态功耗和静态功耗。 2 1 1 动态功耗 动态功耗主要包括：丌关功耗，它是对电路中的电容充放电形成的；短路功耗， 它是由于输入信号不是理想的方波，在输入信号上升或下降的过程中引起的附加短 7 东北师范大学硕士学位论文 路功耗。 开关功耗 图2 一lc m o s 电路 对c o m s 电路，当输入信号v i 。变化时，输出v 洲将或因为充电上升，接近电源 电压v d d ，或因放电使输出接近地电平。对于静态逻辑，输出随输入改变而变化； 对于动态逻辑，输出将在前半个周期充电，等待第二个时钟相到来时，输出电压v o u t 才随输入改变。两种情况下，c o m s 电路的功耗将j 下比于总的负载电容，但是其输 出端有不同的信号变化频率。 如图2 1 所示的c o m s 反相器，c l 是寄生电容和负载电容的总和，包括后继门的 输入门电容、互连电容和反相器源漏区的电容三种类型的电容。在深亚微米工艺中， 门的尺寸按比例缩，互连电容将起主要作用【纠。假设输入信号的翻转概率为a ( 也称 为信号活性) ，电路的时钟频率为f 对一个节点i ，当信号从o 到1 或者从1 到0 变化时， 输出的节点电容c i 产生一个电压变化v ( 大部分节点电容的充放电压v 的变化范 围从g n d 到v d d ，因此v = v d d ) ，因此而引起的能耗c t v v d d 。在工作频率为i k 下， 设其信号变换的开关活动率为0 【i ，那么，对于有n 个节点的电路，其开关功耗为： p = f c i k v d d n i c i a v i = f c i k v d d 2 c l ( 2 1 ) 其中c l 为等效负载电容，c l 一a i c i 充放电功耗在c m o s 电路中起决定作用，它大约占全部功耗的7 0 到9 0 【i o 】， 是整个电路功耗的主要组成部分。 短路电流功耗 理想的c m o s 电路的晶体管改变状态不需要时间，不存在从电源到地的通道。 实际上，当输入门的上升下降时间大于输出的上升下降时间时，将存在从电源到 8 东北师范大学硕士学位论文 地的短路电流。如果n 型m o s 管的开启电压是v t n ，p 型m o s 管的丌启电压是v t p ，当 v t n n c ) 户比较权值大小木 c = w d g h t ，n e x t 2 p ； ) 因此，我们可以在这部分定义一个全局变量t o t a l _ p p 来计算可运行队列中所有 进程的总数。函数每比较一个进程之后，t o t a l - p p 做自加操作。当遍历完整个可运 行队列并选出g o o d n e s s 最高的进程时，t o t a l j p 便是实际参与调度的进程总和。这 4 2 东北师范大学硕士学位论文 个变量就是功耗控制模块选择降低c p u 主频的依据。基本原理就是t o t a l _ p p 数值越 小，c p u 主频就可以越低。 l i n u x 只有一个可运行队列t a s kr i 、r n i n g ，处于1 a s kr 叮n i n g 状态的 实时进程和普通进程都加入到这个可运行队列中。因此，如果只根据t o t a l - p p 来判 断无法知道可运行队列t a s kr u 州i n g 中是否有实时进程。若存在实时进程，即 使t o t a l _ p p 的数值很小，为了确保系统性能，也不能降低c p u 主频，否则无法急时 响应，将产生严重后果。 由上一节对g o o d n e s s ( ) 函数的分析可知，进程的g o o d n e s s 值通过g o o d n e s s 函数 计算。1 0 0 0 和1 0 0 0 以上的值只能赋给实时进程，从o 9 9 9 的值只能赋给普通进程。 通过g o o d n e s s ( ) 函数，l i n u x 从优先考虑实时进程出发，实现了多种调度策略的统一 处理，其设计思想可谓非常巧妙。虽然g o o d n e s s 只是一个简单的函数，但它是l i n u x 调度程序中不可缺少的部分。运行队列中的每个进程每次执行s c h e d u l e 时都会调用 到它。 s t a t i ci n l i n eg o o d n e s s ( s t m c tt a s k 。s t n l c t 木p i n tt h i s _ c p u ，s t r u c tm m _ s t r u c t 木t h i s _ m m ) i n tw e i g h t ； w e i g h t 2 一l ； 户判断如果任务的调度策略被置为s c h e dy i e l d 的话，则置权值为一1 ，返回。系 统调用s c h e dy i e l d 表示为“礼让”进程，其权值为最低木 i f ( p 一 p o l i c y & s c h e d l y i e l d ) g o t o0 u t ； 伊先对普通进程进行处理( 由于多数是普通进程，这样做有利于提高系统效率) 枣 i f ( p - p o l i c y = = s c h e d l o t h e r ) w e i 曲t _ p 一 c o u n t e r ；木返回权值为进程的c o u n t e r 值木 木如果当前进程的c o 呲e r 为0 ，则表示当前进程的时间片已用完，直接返回母 i f ( ! 、e i 曲t ) g o t oo u t ； 群i f d e fc o n f i g s m p i f ( p - p r o c e s s o r = = t h i s - c p u ) w e i 曲t + = p r o c _ c h a n g e _ p e n a l t y ； 拌e n d i f 木对进程权值进行微调，如果进程的内存空间使用当前正在运行的进程的内存空间， 则权值额外加1 水 i f ( p - m m = = t h i s _ m m i | ! p 一 m m ) w e i g h t + = 1 ； 户将权值加上2 0 与进程优先级n i c e 的差。普通进程的权值主要由c o u n t e r 值和n i c e 值组 4 3 东北师范大学硕士学位论文 成木 w e i 曲t + = 2 0 一p 一 n i c e ； g o t oo u t ； ) 产对实时进程进行处理，返回权值为山r i o r i t y + 1 0 0 0 ，确保优先级高于普通进程木 w e i g h t = l0 0 0 + p 一 n - j r i o r i t y ； o u t ： r e t u m 、e i g h t ； ) 可以看出g o o d n e s s ( ) 函数实际上也是对进程做了是否为实时进程的判断。并根据 进程的调度策略赋予不同的权值。如果是实时进程，则权值 、e i g h t = 10 0 0 + p 一 n _ j r i o r i t y 。确保了该实时进程可以比普通进程优先调度，因为没有 任何普通进程的优先级高于1 0 0 0 。所以，当程序运行到w e i g h t _ 1 0 0 0 + p 一 n - p r i o r i t y ； 语句时，则说明可运行队列t a s kr l 兀州i n g 中存在实时进程。此时应该关闭功耗 控制模块，禁止它对c p u 主频进行调节。因此，我们定义另外一个全局变量 f l a g o n t r o l 作为是否存在实时进程的标志，将其放在g o o d n e s s ( ) 函数 w e i g h t = lo o o + p 一 t j r i o r i t y ；语句之后。 于是，当t o t a l - p p 与n a g _ c o n t r o l 全都满足条件时，我们进行功耗控制。这样不仅 满足了实时性能的要求也达到了降低功耗的目的。 所以c o n t r o lm o d u l e 就这样建立了起来，其模型如图4 9 所示： 图4 9c o n t r o lm o d u l e 原理图 4 4 本章小结 本章介绍了p x a 2 5 0 处理器的内部结构和功能，重点分析了p x a 2 5 0 的低功耗 特性。p x a 2 5 0 具有多种工作模式和可动态改变时钟频率及工作电压的特点，它们 是实现处理器低功耗运行的基础。另外在理论上研究了内核改造原理以及改造后的 进程的执行流程，并且描述了这个基于l i n u x 操作系统低功耗设计是如何构建以及 如何实现的。 东北师范大学硕士学位论文 第五章内核的编译移植及测试 5 。1 验证的系统平台 s k y e y e 是一个丌源软件( o p e n s o u r c es o r w a r e ) 项目，它的目标是在通用的l i n u x 和w i n d o w s 平台上实现一个纯软件集成丌发环境，模拟常见的嵌入式计算机系统； 可在s k y e y e 上运行“n u x 、“c l i n u x 以及p c o s i i 等多种嵌入式操作系统和各种系统 软件。 s k y e y e 是一个指令级模拟器，可以模拟多种嵌入式丌发板，可支持多种c p u 指 令集，在s k y e y e 上运行的操作系统意识不到它是在一个虚拟的环境中运行，而且丌 发人员可以通过s k y e y e 调试操作系统和系统软件。但是，在实现上s k y e y e 与真实的 硬件环境相比还是有一定差别的。s k y e y e 在时钟节拍的时序上不保证与硬件完全相 同，对软件透明的一些硬件仿真进行了一定的简化。 s k y e y e 目前模拟的硬件包括c p u 、内存、i o 寄存器、时钟、u a l 玎、网络芯 片、m m u