嵌入式系統(tǒng)降低功耗的方法研究

另一種常用的時(shí)鐘技術(shù)就是可變頻率時(shí)鐘。它可根據(jù)系統(tǒng)性能要求，配置適當(dāng)?shù)臅r(shí)鐘頻率以避免不必要的功耗。門(mén)控時(shí)鐘實(shí)際上是可變頻率時(shí)鐘的一種極限情況(即只有0和最高頻率兩種值)，因此，可變頻率時(shí)鐘比門(mén)控時(shí)鐘技術(shù)更加有效，但需要系統(tǒng)內(nèi)嵌時(shí)鐘產(chǎn)生模塊PLL，增加了設(shè)計(jì)復(fù)雜度。圖4為在具有低功耗特性的嵌入式芯片上進(jìn)行的時(shí)鐘系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。片上時(shí)鐘系統(tǒng)通過(guò)2個(gè)數(shù)字鎖相環(huán)CPUPLL和SysPLL來(lái)穩(wěn)定16 MHz的輸入時(shí)鐘，分別送到不同的倍頻器和分頻器。經(jīng)CPU-PLL的時(shí)鐘信號(hào)作為處理器內(nèi)核時(shí)鐘，經(jīng)SysPLL的時(shí)鐘信號(hào)作為處理器內(nèi)核之外的系統(tǒng)時(shí)鐘、存儲(chǔ)器時(shí)鐘和外設(shè)時(shí)鐘。
由于處理器芯片(如i．MX1)不支持電壓動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，可通過(guò)配置片內(nèi)數(shù)字鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)內(nèi)核頻率動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。根據(jù)公式計(jì)算出系統(tǒng)頻率：

其中：fref是系統(tǒng)的低頻時(shí)鐘頻率，作為倍頻的參考頻率；MFI是倍頻因子的整數(shù)部分；MFN和MFD分別是倍頻因子的分子和分母；PD是預(yù)設(shè)分頻因子。
2．2 操作系統(tǒng)層
系統(tǒng)級(jí)低功耗設(shè)計(jì)一般是在操作系統(tǒng)層實(shí)現(xiàn)。因?yàn)椴僮飨到y(tǒng)管理系統(tǒng)所有軟硬件資源，并獲取系統(tǒng)的各種狀態(tài)信息，控制硬件設(shè)備的狀態(tài)。因此，在操作系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)全局功耗控制是最佳選擇。操作系統(tǒng)層面分成功耗驅(qū)動(dòng)模塊和功耗調(diào)度模塊。
2．2．1 功耗驅(qū)動(dòng)模塊
驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單，主要是對(duì)硬件操作。功耗模式轉(zhuǎn)換和頻率調(diào)節(jié)都是通過(guò)片上時(shí)鐘系統(tǒng)控制寄存器進(jìn)行設(shè)置。因此，實(shí)質(zhì)上是對(duì)寄存器的設(shè)置。從睡眠模式或停止模式進(jìn)入運(yùn)行模式相對(duì)容易，只需向系統(tǒng)發(fā)出中斷信號(hào)，喚醒系統(tǒng)進(jìn)入運(yùn)行模式。而從運(yùn)行模式到睡眠模式或停止模式相對(duì)復(fù)雜，其關(guān)鍵代碼如下：

2．2．2 功耗調(diào)度模塊
功耗調(diào)度模塊實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)在嵌入式Linux操作系統(tǒng)中有具體體現(xiàn)。在Linux操作系統(tǒng)中，任務(wù)的調(diào)度主要由進(jìn)程調(diào)度(或任務(wù)調(diào)度)模塊 schedule()完成。schedule()掌握系統(tǒng)內(nèi)所有進(jìn)程的運(yùn)行狀態(tài)，并對(duì)其執(zhí)行的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行管理調(diào)度。因此，系統(tǒng)級(jí)實(shí)現(xiàn)功耗控制，需要對(duì)嵌入式Linux內(nèi)核的schedule()模塊全面改寫(xiě)，將DPM和DVS策略加入其中。設(shè)計(jì)思路為：由于Linux內(nèi)核提供的 cpu_usage_stat結(jié)構(gòu)記錄了處理器運(yùn)行時(shí)間的分配情況，可以通過(guò)讀取這些參數(shù)計(jì)算出當(dāng)前系統(tǒng)的運(yùn)行比例，即通過(guò)cpu_scan函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)具體的操作。cpu_scan函數(shù)是處理器設(shè)備驅(qū)動(dòng)的主要部分，它在固定的時(shí)間片內(nèi)調(diào)用，時(shí)間片的大小可以根據(jù)需要在5～1D0 ms之間選取。該函數(shù)通過(guò)調(diào)用cpu_dvs函數(shù)和cpu_dmp函數(shù)來(lái)評(píng)估系統(tǒng)的狀態(tài)，這兩個(gè)函數(shù)分別是可變電壓技術(shù)和動(dòng)態(tài)功耗管理的實(shí)現(xiàn)。
(1)DPM策略
DPM策略在低功耗嵌入式Linux系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)上分為觀測(cè)器和控制器兩部分，如圖5所示。我們?cè)趯?shí)現(xiàn)過(guò)程中采用了Timeout算法。該算法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性也較高。統(tǒng)計(jì)表明，只要合理地設(shè)計(jì)Timeout，這種假設(shè)的可信度為95％。采用了Timeout算法的cpu_dmp函數(shù)在此不再具體解釋。但在動(dòng)態(tài)電源管理實(shí)現(xiàn)過(guò)程中容易出現(xiàn)一個(gè)喚醒信號(hào)發(fā)送給一個(gè)等待隊(duì)列中的進(jìn)程后，該進(jìn)程不能夠立即被調(diào)度執(zhí)行，從而造成事件丟失的情況。為了避免這種情況的出現(xiàn)，Llow被設(shè)置成比Lmax稍小的值。當(dāng)事件數(shù)量到達(dá)Llow時(shí)，即使事件處理進(jìn)程被喚醒后不能馬上轉(zhuǎn)入執(zhí)行，由于LlowLmax，事件列表還沒(méi)有全滿，也不會(huì)造成新事件丟失。這樣，既降低了事件丟失的幾率，對(duì)系統(tǒng)的影響也降到了最小，因?yàn)橹挥挟?dāng)事件列表快滿時(shí)才會(huì)調(diào)用事件處理進(jìn)程。