| 摘要 系統(tǒng)功耗是阻礙當(dāng)今世界便攜式電子產(chǎn)品發(fā)展的一個(gè)重要因素。降低系統(tǒng)功耗的核心是運(yùn)用適當(dāng)?shù)碾娫垂芾恚╬ower management）策略,關(guān)鍵是準(zhǔn)確反映和利用系統(tǒng)狀態(tài)信息和任務(wù)信息。本文從任務(wù)信息和系統(tǒng)狀態(tài)兩個(gè)角度,分析系統(tǒng)設(shè)備電源管理策略和方法,并提出一個(gè)基于最高決策的系統(tǒng)級(jí)電源管理模塊構(gòu)架。 關(guān)鍵詞 系統(tǒng)狀態(tài) 便攜設(shè)備 電源管理 最高決策 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： �、� 降低電容量或者電路的儲(chǔ)電量。
�、� 降低開關(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,使得芯片的開關(guān)活躍性增強(qiáng),因而降低開關(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)鐘門控（time gating）技術(shù)是當(dāng)前流行的降低開關(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。
�、� 降低信號(hào)頻率。
�、� 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,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： �、� 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。
�、� 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)。
�、� 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（cuberoot）原理,則有： |
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