嵌入式便攜設(shè)備中電源管理的分析與研究

引言

　　現(xiàn)今對(duì)電子系統(tǒng)設(shè)備性能的要求越來(lái)越高，在權(quán)衡電子系統(tǒng)的性能和功耗時(shí)，電子系統(tǒng)的性能往往得到更多的重視。容量有限的電池是便攜設(shè)備的惟一能量來(lái)源，而電池容量的提高速度明顯趕不上中央處理器性能的提高速度，因此，如何利用有限的電能為便攜設(shè)備提供最高性能，是便攜設(shè)備中電源管理的主要目標(biāo)。除此之外，電源管理還要兼顧穩(wěn)定性和散熱性。電源管理模塊是在可編程電源管理的設(shè)備上，為電源管理提供實(shí)現(xiàn)各種功耗模式的應(yīng)用編程接口的軟件模塊。

　　功率消耗有兩種方式： 靜態(tài)功耗和動(dòng)態(tài)功耗。靜態(tài)功耗主要為晶體管泄漏（leakage）功率；動(dòng)態(tài)功耗則來(lái)源于電路有效性激活，例如地址線或者數(shù)據(jù)線輸入時(shí)引起的寄存器線路的有效性激活。開(kāi)關(guān)電容所消耗的功率是動(dòng)態(tài)功率消耗的最主要組成部分，即在電路輸出時(shí)開(kāi)關(guān)電容進(jìn)行充放電過(guò)程所消耗的功率：

　　由式（1）可知Pdynamic依賴以下4個(gè)參數(shù)： C（電容量）、V（電壓）、f（信號(hào)頻率）和a(可變因數(shù))。其中，a與芯片中出現(xiàn)0-1轉(zhuǎn)換的次數(shù)有關(guān)。降低動(dòng)態(tài)功耗的方法相應(yīng)地分為4類(lèi)：

　?、?nbsp; 降低電容量或者電路的儲(chǔ)電量。
　　②  降低開(kāi)關(guān)的活躍性。由于計(jì)算機(jī)芯片被越來(lái)越復(fù)雜的功能性所包裝，使得芯片的開(kāi)關(guān)活躍性增強(qiáng)，因而降低開(kāi)關(guān)活躍性對(duì)降低系統(tǒng)動(dòng)態(tài)功耗起到的作用越來(lái)越大。時(shí)鐘門(mén)控（time gating）技術(shù)是當(dāng)前流行的降低開(kāi)關(guān)活躍性的技術(shù)，這種技術(shù)使得時(shí)鐘信號(hào)不通過(guò)閑置應(yīng)用單元。因?yàn)闀r(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)是芯片功率消耗的主要部分，這種技術(shù)恰恰可以在處理器中有效地降低功率和電量消耗。
　?、?nbsp; 降低信號(hào)頻率。
　　④  降低電壓。

　　后兩種方法是以降低系統(tǒng)性能為代價(jià)的，但同時(shí)也是降低系統(tǒng)功耗的主要手段。系統(tǒng)電源管理就是通過(guò)認(rèn)識(shí)系統(tǒng)任務(wù)（task）和狀態(tài)（status），利用合理的電源管理策略，權(quán)衡提高系統(tǒng)性能和降低系統(tǒng)功耗之間的關(guān)系，在功耗最低的情況下，為系統(tǒng)應(yīng)用提供最優(yōu)性能。本文從任務(wù)信息和系統(tǒng)狀態(tài)兩個(gè)角度對(duì)降低系統(tǒng)功耗的管理進(jìn)行探討研究，并提出一種基于最高決策的系統(tǒng)級(jí)電源管理模塊構(gòu)架。

1  功耗管理技術(shù)分析

1.1  系統(tǒng)狀態(tài)、任務(wù)和電源管理策略信息

　　電源管理的前提是對(duì)系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)及任務(wù)信息的準(zhǔn)確檢測(cè)和管理，以及對(duì)電源管理策略進(jìn)行準(zhǔn)確的效率統(tǒng)計(jì)。

　　系統(tǒng)狀態(tài)包括Running（工作）狀態(tài)、Idle（空閑）狀態(tài)和Sleep（休眠）狀態(tài)。有的系統(tǒng)可以提供多模式的工作狀態(tài)，區(qū)別主要在于處理器工作頻率、工作電壓和設(shè)備組合的不同。任務(wù)的實(shí)時(shí)指標(biāo)包括響應(yīng)時(shí)間（response time）、延時(shí)（latency）和任務(wù)截止期（deadline）。硬實(shí)時(shí)任務(wù)對(duì)這些指標(biāo)有硬性的要求，當(dāng)系統(tǒng)不能達(dá)到該指標(biāo)時(shí)，提供的數(shù)據(jù)或服務(wù)就會(huì)完全失效，甚至造成災(zāi)難性的后果；軟實(shí)時(shí)任務(wù)則對(duì)其只有軟性要求，達(dá)不到指標(biāo)的后果只是無(wú)法提供要求的服務(wù)質(zhì)量。任務(wù)的信息除了實(shí)時(shí)指標(biāo)以外，還有執(zhí)行任務(wù)所使用的設(shè)備部件。如果是多工作模式系統(tǒng)，則還要包括執(zhí)行該任務(wù)的最低工作模式。許多操作系統(tǒng)和處理器都能夠提供很好的檢測(cè)模塊和功能單元。例如，Linux的timer函數(shù)可以提供系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)計(jì)時(shí)， Intel XScale處理器的PMU（Performance Monitoring Unit）單元，可以用來(lái)監(jiān)視XScale平臺(tái)的工作情況。對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)和任務(wù)信息的檢測(cè)和管理是管理模塊中的重要部分之一。

　　電源管理策略信息包括核心算法和工作效率。衡量電源管理策略的效率可以通過(guò)計(jì)算“競(jìng)爭(zhēng)比”（competitive ratio）和“錯(cuò)誤率”等來(lái)判斷。D. Ramanathan[2]在利用競(jìng)爭(zhēng)分析方法分析電源管理策略中使用了“競(jìng)爭(zhēng)比”這個(gè)衡量指標(biāo)。競(jìng)爭(zhēng)分析方法的前提： 假設(shè)所研究的問(wèn)題有一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，而且這個(gè)對(duì)手對(duì)該問(wèn)題的輸入能夠產(chǎn)生影響。競(jìng)爭(zhēng)比的定義是在線（online）策略所消耗的資源與完成任務(wù)可能消耗的最少資源之間的比值。這里，在線策略是針對(duì)負(fù)載未知的系統(tǒng)的電源管理策略。因?yàn)樵趯?shí)際系統(tǒng)中，系統(tǒng)下一個(gè)任務(wù)請(qǐng)求的到達(dá)時(shí)間是不可能完全正確預(yù)知的，而可能消耗的最少資源就是在電源管理策略能完全正確預(yù)知下一個(gè)任務(wù)請(qǐng)求到達(dá)時(shí)間的前提下所消耗的資源。這里的資源可以簡(jiǎn)單地用功耗代替，也可以結(jié)合系統(tǒng)執(zhí)行任務(wù)的延時(shí)，即系統(tǒng)性能。預(yù)測(cè)錯(cuò)誤率是針對(duì)預(yù)測(cè)策略的效率指標(biāo)，它等于預(yù)測(cè)錯(cuò)誤次數(shù)與總預(yù)測(cè)次數(shù)之間的比值，并可利用布爾數(shù)來(lái)判斷預(yù)測(cè)錯(cuò)誤率的評(píng)估函數(shù)。

1.2  Running狀態(tài)下的電源管理方法

　　當(dāng)系統(tǒng)處于Running狀態(tài)時(shí)，電源管理模塊根據(jù)任務(wù)信息，在完成任務(wù)的前提下，通過(guò)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)設(shè)備的狀態(tài)或者工作模式來(lái)達(dá)到降低功耗的目的。例如： 任務(wù)按照運(yùn)算密集型和存取密集型分類(lèi)，在執(zhí)行運(yùn)算密集型的任務(wù)時(shí)，可以在保證任務(wù)完成的實(shí)時(shí)需求的前提下通過(guò)降低總線頻率來(lái)降低系統(tǒng)功耗；在執(zhí)行存取密集型的任務(wù)時(shí)，可以通過(guò)降低處理器的工作頻率來(lái)降低功耗。

　　當(dāng)系統(tǒng)執(zhí)行多工作量的任務(wù)或者同時(shí)執(zhí)行多任務(wù)時(shí)，有效的電源管理策略是任務(wù)調(diào)度和任務(wù)截止期（deadline）相結(jié)合的電源管理策略。這種電源管理策略的基本思想是： 將任務(wù)按使用設(shè)備和任務(wù)集合分組，羅列所有調(diào)度可能，排除約束條件（在截止期內(nèi)完成）以外的調(diào)度，在任務(wù)截止期內(nèi)盡量使同組任務(wù)集中執(zhí)行，從而使系統(tǒng)空閑時(shí)間盡可能集中，以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)電源管理。應(yīng)用于該策略的任務(wù)調(diào)度流程如圖1所示。

圖1  結(jié)合任務(wù)截止期的任務(wù)調(diào)度流程

　　基于任務(wù)調(diào)度和任務(wù)截止期的電源管理策略的調(diào)度任務(wù)原則是：

　?、?nbsp; 調(diào)度能耗越低，則優(yōu)先級(jí)越高；同組的任務(wù)按截止期排序；每組第一個(gè)任務(wù)的截止期越早，則該組調(diào)度的優(yōu)先級(jí)越高；每組最后一個(gè)任務(wù)的截止期越早，則該組調(diào)度的優(yōu)先級(jí)越高。
　　②  對(duì)于調(diào)度能耗與截止期完全相同的調(diào)度，先到達(dá)者具有更高的優(yōu)先級(jí)。
　　③  當(dāng)有外部任務(wù)請(qǐng)求使用休眠的設(shè)備時(shí)，電源管理模塊重新安排任務(wù)的優(yōu)先級(jí)。

　　設(shè)連續(xù)函數(shù)P(s)，如果系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行在速度s下，則其消耗的功率為P。根據(jù)基于CMOS工藝的設(shè)備的立方根（cuberoot）原理，則有：

　　為了便于分析，將功耗與系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行速度的關(guān)系表示為下式：

　　這是一個(gè)嚴(yán)格的凸函數(shù)，它傳達(dá)的信息是，任務(wù)進(jìn)行得越慢，越節(jié)省功耗。這是基于任務(wù)截止期約束任務(wù)完成的電源管理策略的基本出發(fā)點(diǎn)。當(dāng)前有不少基于任務(wù)截止期約束任務(wù)完成的電源管理策略，例如簡(jiǎn)單化的在線策略AVR[3]（Average Rate）、OA（Optimal Available）和BKP策略[4]等就是這類(lèi)策略的典型。其中： AVR策略假設(shè)系統(tǒng)中只有一個(gè)任務(wù)在執(zhí)行；OA策略假設(shè)不會(huì)再有新任務(wù)進(jìn)入安排；而B(niǎo)KP策略則在c比較大時(shí)才能夠很好地降低功耗。

1.3  Idle狀態(tài)下的電源管理方法

　　系統(tǒng)設(shè)備完成任務(wù)后，將處于Idle狀態(tài)的系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換是該狀態(tài)下電源管理的主要方法。主流策略有Timeout策略、基于預(yù)測(cè)的管理策略和基于隨機(jī)的管理策略。其中，Timeout策略最簡(jiǎn)單易行。該策略流程如圖2所示。

圖2  Timeout策略流程

　　系統(tǒng)完成所有任務(wù)后，處于Idle狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間超過(guò)該閾值時(shí)，電源管理模塊將系統(tǒng)轉(zhuǎn)換至Sleep狀態(tài)，直到有新任務(wù)請(qǐng)求到達(dá)時(shí)再喚醒系統(tǒng)。通過(guò)這種方式達(dá)到降低系統(tǒng)設(shè)備功耗的目的。該時(shí)間間隔可由系統(tǒng)提供的計(jì)時(shí)模塊設(shè)定，而時(shí)間閾值Tth的設(shè)定由下式確定：

式中： Etran是已知的系統(tǒng)從Idle狀態(tài)到Sleep狀態(tài)再到喚醒，共兩次狀態(tài)轉(zhuǎn)換所消耗的總能量；PI是系統(tǒng)處于Idle狀態(tài)所消耗的功率。

　　圖3為T(mén)imeout策略中兩種性能的損耗情況。圖中，E為Running（工作）狀態(tài)時(shí)間，I為Idle狀態(tài)時(shí)間，F(xiàn)為時(shí)間閾值，D為狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)間，S為休眠狀態(tài)時(shí)間，W為系統(tǒng)設(shè)備喚醒時(shí)間。該策略簡(jiǎn)單，但缺點(diǎn)也很明顯。如圖3所示，當(dāng)I>F+D時(shí)，等待時(shí)間閾值的設(shè)定容易損失更多的降功機(jī)會(huì)，同時(shí)因?yàn)橄到y(tǒng)狀態(tài)喚醒轉(zhuǎn)換的耗時(shí)耗能，必然引起任務(wù)等待延時(shí)；甚至當(dāng)F+D>I>F時(shí)，延時(shí)會(huì)大于喚醒耗時(shí)，這將造成很大的性能損失；同時(shí)任務(wù)執(zhí)行時(shí)間的延時(shí)，還會(huì)直接導(dǎo)致下一個(gè)Idle狀態(tài)持續(xù)時(shí)間的縮短。這樣基于對(duì)任務(wù)完成后Idle狀態(tài)時(shí)間和下一個(gè)任務(wù)來(lái)臨時(shí)間的預(yù)測(cè)的電源管理策略就顯得很有效率。

圖3  Timeout策略中兩種性能的損耗情況

　　基于預(yù)測(cè)的電源管理策略是根據(jù)系統(tǒng)信息（包括歷史信息和用戶習(xí)慣等），對(duì)系統(tǒng)將要處于Idle狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間Tpred進(jìn)行預(yù)測(cè)。比較Tpred和Tth，當(dāng)Tpred≥Tth時(shí)在任務(wù)完成后立即將系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到休眠狀態(tài)；否則，繼續(xù)維持系統(tǒng)Idle狀態(tài)。預(yù)測(cè)時(shí)刻和Idle狀態(tài)中的預(yù)測(cè)間隔由具體策略決定。

　　基于預(yù)測(cè)的電源管理策略的核心是，使用何種算法來(lái)利用系統(tǒng)反饋信息去更新算法的預(yù)測(cè)根據(jù)。要做出符合系統(tǒng)設(shè)備用戶使用習(xí)慣和任務(wù)請(qǐng)求的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，就需要對(duì)用戶習(xí)慣的認(rèn)識(shí)程度不斷加深，并對(duì)系統(tǒng)任務(wù)信息和策略歷史信息有較全面的統(tǒng)計(jì)。自適應(yīng)學(xué)習(xí)樹(shù)ALT（Adaptive Learning Tree）策略、PBALT（ProbabilityBased ALT）策略，以及基于AR（AutoRegressive）模型的預(yù)測(cè)控制反饋PCF（Predictive Control Feedback）預(yù)測(cè)策略等都是優(yōu)化過(guò)的預(yù)測(cè)策略。PBALT策略利用概率反映準(zhǔn)確率，加強(qiáng)了分樹(shù)之間的關(guān)聯(lián)性和ALT方法的學(xué)習(xí)能力；但這種策略的邊界條件限制制約了它的應(yīng)用范圍。PCF預(yù)測(cè)策略的自適應(yīng)性是通過(guò)其反饋模塊來(lái)控制的；但預(yù)測(cè)策略本身在針對(duì)非平穩(wěn)狀態(tài)的任務(wù)請(qǐng)求時(shí)效率不穩(wěn)定，同時(shí)，預(yù)測(cè)策略基本只考慮系統(tǒng)有一個(gè)工作模式，這些都限制了它的應(yīng)用。

　　基于隨機(jī)的電源管理策略是一種具有不確定性的優(yōu)化策略，這種不確定性源于系統(tǒng)模型的抽象性?；陔S機(jī)的電源管理策略不僅指定何時(shí)進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換，而且還指定轉(zhuǎn)換到哪一工作模式，因此適用于多工作模式的系統(tǒng)設(shè)備。它將動(dòng)態(tài)電源管理看作是隨機(jī)最優(yōu)化問(wèn)題，而不像基于預(yù)測(cè)的電源管理策略那樣通過(guò)預(yù)測(cè)的方法消除任務(wù)請(qǐng)求的不確定性?；贑TMDP（連續(xù)時(shí)間馬爾可夫決定過(guò)程）的隨機(jī)決定動(dòng)態(tài)電源管理策略給出了系統(tǒng)電源管理的一個(gè)最優(yōu)化的決定，但這種最優(yōu)化是在一個(gè)具有不確定性的模型基礎(chǔ)上的，即這種算法所得到的最優(yōu)化的決策只能得到系統(tǒng)的性能和功耗的一個(gè)預(yù)期值，并不能保證在特定的系統(tǒng)設(shè)備中適用，而且馬爾可夫過(guò)程數(shù)學(xué)模型的建立也是需要仔細(xì)分析的。

2  基于最高決策的電源管理策略

　　由以上對(duì)系統(tǒng)電源管理策略的分析可知，系統(tǒng)設(shè)備的電源管理貫穿系統(tǒng)設(shè)備的各個(gè)狀態(tài)，因此應(yīng)提出一種電源管理方法，將多種電源管理策略結(jié)合起來(lái)對(duì)系統(tǒng)功耗進(jìn)行協(xié)同管理。該電源管理構(gòu)架中有一個(gè)策略集合，每個(gè)策略都有自己的優(yōu)先級(jí)，按需求使用各個(gè)策略來(lái)進(jìn)行多策略電源管理。但這種構(gòu)架也存在問(wèn)題： 首先復(fù)雜系統(tǒng)的任務(wù)很可能多種多樣，而且電源管理策略針對(duì)不同的任務(wù)其降功效率也不同，僅用電源管理策略的優(yōu)先級(jí)來(lái)決定使用電源管理策略，缺乏針對(duì)性；此外各策略信息應(yīng)該在執(zhí)行系統(tǒng)任務(wù)的過(guò)程中得到統(tǒng)計(jì)，并自適應(yīng)地改變其優(yōu)先級(jí)。

　　這里提出一個(gè)基于最高決策管理模塊的電源管理構(gòu)架。這種系統(tǒng)設(shè)備電源管理構(gòu)架包括了最高決策模塊、任務(wù)信息統(tǒng)計(jì)模塊、策略集合模塊、信息檢測(cè)模塊和控制模塊5個(gè)主要部分，如圖4所示。

圖4  基于最高決策的降功管理模塊構(gòu)架

　　信息檢測(cè)模塊： 用于檢測(cè)系統(tǒng)狀態(tài)信息和新到的任務(wù)信息。

　　任務(wù)信息統(tǒng)計(jì)模塊： 用于統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)設(shè)備所執(zhí)行的任務(wù)信息，并解釋成準(zhǔn)確的任務(wù)信息參數(shù)。

　　策略集合模塊： 通過(guò)對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)和任務(wù)信息等進(jìn)行動(dòng)態(tài)的統(tǒng)計(jì)，計(jì)算電源管理策略的效率，更新電源管理策略信息并解釋成準(zhǔn)確的電源管理策略參數(shù)。

　　最高決策模塊： 根據(jù)接收的任務(wù)和系統(tǒng)狀態(tài)信息，在策略集合中選擇最優(yōu)的電源管理策略或者電源管理策略組，通過(guò)控制模塊對(duì)系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行電源管理。

　　任務(wù)信息是實(shí)時(shí)接收的；系統(tǒng)狀態(tài)信息是在每次系統(tǒng)狀態(tài)改變時(shí)，由信息檢測(cè)模塊提供給最高決策模塊的；電源管理策略的信息指計(jì)算后的電源管理效率，以及電源管理策略適用的系統(tǒng)狀態(tài)和任務(wù)。例如，當(dāng)新任務(wù)到達(dá)后，必然有一種預(yù)測(cè)策略對(duì)此任務(wù)完成后的Idle狀態(tài)持續(xù)時(shí)間的預(yù)測(cè)效率最高。電源管理策略控制期間，每一次決策的成功或失敗都會(huì)改變?cè)撾娫垂芾聿呗缘膬?yōu)先加權(quán)參數(shù)。這樣最高決策模塊根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)和任務(wù)信息，決定采用最優(yōu)的電源管理策略或者電源管理策略組，使系統(tǒng)設(shè)備的各個(gè)部分得到最優(yōu)的電源管理。

3  小結(jié)

　　當(dāng)今便攜設(shè)備中電源管理的核心是電源管理策略，本文中提出的基于最高決策的電源管理構(gòu)架的關(guān)鍵是預(yù)先選定電源管理策略集合。關(guān)于電源管理策略，有兩方面問(wèn)題需要繼續(xù)探討和研究： 第一，權(quán)衡系統(tǒng)設(shè)備工作性能和功耗。電源管理策略進(jìn)行系統(tǒng)功耗管理過(guò)程中，雖然電源管理策略盡量避免延時(shí)，但是這種延時(shí)又不可避免。系統(tǒng)使用者對(duì)于性能和功耗的權(quán)衡直接影響電源管理策略的選擇，以及電源管理策略中具體參數(shù)的預(yù)設(shè)。第二，權(quán)衡電源管理效果和復(fù)雜度。策略集合和任務(wù)信息集合的尺寸越大，統(tǒng)計(jì)信息越完備，電源管理策略的決策就越準(zhǔn)確，但同時(shí)電源管理模塊的復(fù)雜度也增加了，這直接關(guān)系到其工程實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜程度。另外，建立電源管理策略標(biāo)準(zhǔn)，提供電源管理策略包和任務(wù)信息包，規(guī)范系統(tǒng)狀態(tài)和任務(wù)信息，也將有利于便攜設(shè)備電源管理技術(shù)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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