嵌入式系統(tǒng)動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)技術(shù)
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嵌入式系統(tǒng)是多個(gè)設(shè)備或?qū)ο蟮慕M合，其在一定限制條件下相互作用可產(chǎn)生特定的功能?，F(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了許多測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)來對(duì)嵌入式系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估，如系統(tǒng)性能、穩(wěn)定性、能耗、設(shè)計(jì)和生產(chǎn)費(fèi)用等，其中系統(tǒng)的能耗問題在最近幾年已經(jīng)逐漸成為一個(gè)重要的設(shè)計(jì)考慮因素。能量的高效使用除了能夠降低系統(tǒng)操作代價(jià)(例如電能消耗)和減小環(huán)境影響(例如輻射干擾、噪聲)外，對(duì)延長(zhǎng)手持設(shè)備的電池壽命來說也非常有必要。為了在系統(tǒng)性能得到維護(hù)的同時(shí)降低系統(tǒng)能耗，需要同時(shí)對(duì)硬件和軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)上的優(yōu)化，而嵌入式系統(tǒng)的組成特點(diǎn)和應(yīng)用特性也為能耗降低帶來了可能性。
1．1 必要性
系統(tǒng)能耗已經(jīng)逐漸成為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中的一個(gè)重要研究點(diǎn)，其重要性隨著手持設(shè)備的普及而越來越突出。嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)者在以往設(shè)計(jì)過程中，將系統(tǒng)的穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性、安全性等作為設(shè)計(jì)和考慮的重點(diǎn)。但是對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者來說，現(xiàn)在又產(chǎn)生了一個(gè)新的挑戰(zhàn)――降低系統(tǒng)的能量消耗，其必要性體現(xiàn)在以下6個(gè)方面：
①現(xiàn)在越來越多的手持設(shè)備系統(tǒng)利用電池供電，而電池容量相對(duì)有限，因此有必要通過降低功耗來延長(zhǎng)系統(tǒng)的可持續(xù)使用時(shí)間。
②半導(dǎo)體工業(yè)的迅速發(fā)展使得系統(tǒng)集成度和時(shí)鐘頻率得到了顯著提高，但I(xiàn)C器件運(yùn)算能力爆發(fā)性增長(zhǎng)的同時(shí)也導(dǎo)致系統(tǒng)的功耗急劇上升，這將帶來熱量釋放的問題，而且也給設(shè)備的封裝費(fèi)用帶來影響?？梢酝ㄟ^系統(tǒng)功耗的降低來減小整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)成本。
③電池技術(shù)的發(fā)展速度嚴(yán)重滯后于系統(tǒng)能耗需求的增長(zhǎng)速度：在最近30年里電池容量只增長(zhǎng)了4～8倍，但在相同的時(shí)間范圍內(nèi)數(shù)字IC運(yùn)算能力的增長(zhǎng)卻超過了4個(gè)數(shù)量級(jí)。采用系統(tǒng)功耗降低技術(shù)可以彌補(bǔ)電池技術(shù)發(fā)展的不足。
④綠色電器理念越來越深入人心，低能耗高性能的嵌入式設(shè)備更容易得到用戶的認(rèn)可。
⑤人們對(duì)環(huán)境問題的關(guān)心程度越來越高。顯然，系統(tǒng)功耗越大，外圍環(huán)境所受到的輻射或者電磁干擾越嚴(yán)重。
⑥能量?jī)r(jià)格上浮等因素也從另外一個(gè)方面體現(xiàn)了降低系統(tǒng)功耗的必要性。
綜合以上因素可以看出，嵌入式設(shè)備或者系統(tǒng)能耗的大小將會(huì)從多個(gè)方面影響系統(tǒng)的整體性能。因此，電子設(shè)計(jì)者在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，尤其是針對(duì)手持設(shè)備類的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，系統(tǒng)能耗將是一個(gè)越來越重要的設(shè)計(jì)因素。
1．2 可能性
現(xiàn)在的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)是軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的過程，其系統(tǒng)組成和應(yīng)用特性為動(dòng)態(tài)的低功耗策略設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供了可能，這些可能性包括設(shè)備功耗模型、工作負(fù)載、系統(tǒng)嵌入三方面：
(1)設(shè)備功耗模型
在嵌入式系統(tǒng)中，越來越多的設(shè)備除了正常功耗模式外，還支持一種或多種低功耗工作模式，這為動(dòng)態(tài)的功耗管理提供了可能，即系統(tǒng)可以根據(jù)工作負(fù)載變化情況合理設(shè)置目標(biāo)設(shè)備的工作模式。這就是動(dòng)態(tài)電源管理(DPM)技術(shù)的應(yīng)用。另外，商用CMOS芯片電源供給技術(shù)的發(fā)展，使得處理器內(nèi)核的工作電壓在運(yùn)行期間根據(jù)應(yīng)用任務(wù)的時(shí)間限制發(fā)生實(shí)時(shí)變化成為可能，即動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)(DVS)技術(shù)應(yīng)用；而高效DC-DC電壓轉(zhuǎn)換器的出現(xiàn)也為處理器工作電壓的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)提供了硬件設(shè)計(jì)條件。
(2)工作負(fù)載
嵌入式系統(tǒng)是多種本質(zhì)上具有不同特征器件的集合。例如，某個(gè)便攜式系統(tǒng)具有處理器單元、模擬單元(無線卡)、機(jī)械部分(硬盤驅(qū)動(dòng))以及光學(xué)器件(顯示器)。顯然，這4個(gè)單元在系統(tǒng)運(yùn)行過程中實(shí)現(xiàn)的功能各不相同。系統(tǒng)通常是在作最壞打算的工作負(fù)載情況下為達(dá)到峰值性能而進(jìn)行設(shè)計(jì)，但是系統(tǒng)通常處于欠負(fù)載工作狀態(tài)，而且工作負(fù)載具有不均勻性。工作負(fù)載的變化性(或者不均勻性)為能耗的自適應(yīng)降低提供了可能性。如果沒有任務(wù)對(duì)某個(gè)目標(biāo)設(shè)備產(chǎn)生服務(wù)請(qǐng)求，則該設(shè)備處于空閑狀態(tài)，從而可以將其關(guān)閉，使之進(jìn)入低功耗、低性能的睡眠模式；當(dāng)某個(gè)運(yùn)行的任務(wù)需要使用該設(shè)備時(shí)，則將其喚醒，使之進(jìn)入高功耗、高性能的工作狀態(tài)。
(3)系統(tǒng)嵌入
當(dāng)設(shè)計(jì)出節(jié)能效果顯著的動(dòng)態(tài)低功耗策略后，還必須將其嵌入到系統(tǒng)程序中才能得到實(shí)際應(yīng)用。動(dòng)態(tài)低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)的重要性越來越突出，這除了從文獻(xiàn)中的研究成果可以看出之外，還可以通過系統(tǒng)動(dòng)態(tài)功耗管理工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的建立明顯地看出。現(xiàn)在主流的操作系統(tǒng)，如MicrosoftWindows、Linux都支持高級(jí)電源管理(Advaneed PowerManagement，APM)、高級(jí)配置和電源接口(AdvancedConfiguration and Power Interface，ACPI)等模塊。其中ACPI于1997年提出，被Intel、Microsoft、Toshiba等公司推薦為系統(tǒng)功耗管理中的標(biāo)準(zhǔn)軟硬件接口。ACPI允許設(shè)備廠家、操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)者、設(shè)備驅(qū)動(dòng)編程人員使用同一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口，而與ACPI兼容的設(shè)備也應(yīng)該能夠正確響應(yīng)ACPI的調(diào)用，如參數(shù)設(shè)置、工作狀態(tài)的查詢等。通過對(duì)APM、ACPI機(jī)制的引用或改進(jìn)，可以很容易地將低功耗設(shè)計(jì)策略嵌入到系統(tǒng)內(nèi)核中，從而減輕了低功耗策略系統(tǒng)嵌入的工作量。
2 靜態(tài)與動(dòng)態(tài)低功耗設(shè)計(jì)
在系統(tǒng)級(jí)，有4種主要的能量消耗源：處理單元、存儲(chǔ)單元、顯示單元、內(nèi)部連接和通信單元。能量高效的系統(tǒng)層設(shè)計(jì)在保證各個(gè)單元交互效應(yīng)達(dá)到平衡的同時(shí)，還必須使這4種類型單元的能耗最小化。
從總體上講，功耗降低技術(shù)在嵌入式系統(tǒng)范疇內(nèi)可以分為兩大類：靜態(tài)技術(shù)和動(dòng)態(tài)技術(shù)。靜態(tài)技術(shù)主要在系統(tǒng)初始設(shè)計(jì)過程中使用，其假設(shè)系統(tǒng)的功能定義和工作模式已知，而且將來也不會(huì)改變。在嵌入式系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)的初期階段，已經(jīng)使用到了一些靜態(tài)低功耗降低技術(shù)。例如，通過軟件優(yōu)化編譯技術(shù)來優(yōu)化所使用的指令代碼，從而影響到運(yùn)行程序的能耗；代碼存儲(chǔ)器和內(nèi)存中的數(shù)據(jù)存取方式將影響到處理器和存儲(chǔ)單元之間的能量平衡；數(shù)據(jù)表達(dá)方式也將影響到通信資源的功耗。另外，在參考文獻(xiàn)中也已經(jīng)提出了一些靜態(tài)功耗管理策略。在參考文獻(xiàn)中，針對(duì)采用EDF調(diào)度方法的實(shí)時(shí)系統(tǒng)提出了一種尋找最優(yōu)電壓調(diào)度的靜態(tài)方法；在參考文獻(xiàn)中，作者研究了一個(gè)更為通用的處理器模型，該靜態(tài)方法使得在某些非常特殊的情況下能夠達(dá)到能耗的最優(yōu)化；在參考文獻(xiàn)中，低能耗非搶占式調(diào)度問題被建模成一個(gè)整數(shù)線性問題，該系統(tǒng)包含一組具有相同到達(dá)時(shí)間和任務(wù)執(zhí)行期限，但是上下文切換代價(jià)不同的任務(wù)。
與靜態(tài)技術(shù)相對(duì)應(yīng)，動(dòng)態(tài)技術(shù)則是系統(tǒng)在運(yùn)行階段充分利用工作負(fù)載的變化性來動(dòng)態(tài)改變?cè)O(shè)備工作模式，從而達(dá)到降低系統(tǒng)功耗的目的。動(dòng)態(tài)技術(shù)本質(zhì)上是一個(gè)系統(tǒng)級(jí)的設(shè)計(jì)方法，其最關(guān)鍵之處在于功耗管理(Power Man―agement，PM)單元：PM單元監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)處于欠負(fù)載或者無負(fù)載狀態(tài)時(shí)，就發(fā)送命令來控制目標(biāo)設(shè)備的工作模式。而嵌入式系統(tǒng)的組成和應(yīng)用特性也為動(dòng)態(tài)的低功耗策略設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供了可能。
很明顯，靜態(tài)功耗降低技術(shù)只需在設(shè)計(jì)階段使用一次，在運(yùn)行過程中不能根據(jù)工作負(fù)載的變化而靈活處理；動(dòng)態(tài)低功耗技術(shù)在運(yùn)行過程中則能夠很好地自適應(yīng)于工作負(fù)載變化情況，更易于執(zhí)行和應(yīng)用。另外，隨著系統(tǒng)功能增強(qiáng)和集成度的提高，靜態(tài)技術(shù)已經(jīng)不能完全滿足系統(tǒng)對(duì)功耗的要求。盡管靜態(tài)技術(shù)在一定程度上能夠帶來能量節(jié)省，但是最近的研究都著重于動(dòng)態(tài)領(lǐng)域的低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)，后者通常利用底層的硬件特性來獲取有效的能量節(jié)省，現(xiàn)已成為嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域中降低功耗的重要手段。
3 DVS設(shè)計(jì)技術(shù)研究
3．1 DVS基本原理
隨著商用CMOS芯片電源供給技術(shù)的發(fā)展，處理器內(nèi)核的工作電壓在運(yùn)行期間進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)成為可能；而高效DC-DC電壓轉(zhuǎn)換器的出現(xiàn)也為處理器內(nèi)核工作電壓的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)提供了條件。另外在軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，任務(wù)只需在規(guī)定的截止時(shí)間之前執(zhí)行完畢就能達(dá)到系統(tǒng)的性能要求，不要求立即得到系統(tǒng)的響應(yīng)。DVS技術(shù)就是根據(jù)任務(wù)的緊迫程度來動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)處理器運(yùn)行電壓，以達(dá)到任務(wù)響應(yīng)時(shí)間和系統(tǒng)低能耗之間的平衡。
DPM技術(shù)對(duì)非實(shí)時(shí)系統(tǒng)而言，能夠顯著節(jié)省能量。但是由于DPM內(nèi)在的概率特性以及非確定性，不適用于實(shí)時(shí)系統(tǒng)。DVS技術(shù)卻能夠很好地解決嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)中的性能與功耗要求，根據(jù)當(dāng)前運(yùn)行任務(wù)的性能需求來實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)處理器工作電壓。DVS技術(shù)主要基于這樣一個(gè)事實(shí)，即處理器的能量消耗與工作電壓的平方成正比關(guān)系。如果只對(duì)處理器的頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，則所能節(jié)省的能量將很有限，這是因?yàn)楣呐c周期時(shí)間成反比，而能耗又與執(zhí)行時(shí)間和功耗成正比。早期DVS原理基于處理器的利用率來設(shè)置其速度，并沒有考慮到運(yùn)行任務(wù)的不同需求?，F(xiàn)在已經(jīng)針對(duì)實(shí)時(shí)系統(tǒng)提出了一些電壓調(diào)節(jié)策略。例如，參考文獻(xiàn)針對(duì)電壓可連續(xù)變化以及離散變化的處理器進(jìn)行了討論：為了降低電壓可連續(xù)變化處理器的功耗，需要為每個(gè)任務(wù)找到一個(gè)具體的電壓，從而將整個(gè)執(zhí)行時(shí)間延長(zhǎng)到對(duì)應(yīng)的截止期限(deadline)；對(duì)電壓離散變化的處理器來說，則至少需要為每個(gè)任務(wù)找到兩個(gè)執(zhí)行電壓。參考文獻(xiàn)則考慮了將周期性和非周期性任務(wù)進(jìn)行聯(lián)合在線調(diào)度的問題。該原理能夠保證滿足所有周期性任務(wù)的截止期限，并使得所接受的非周期性任務(wù)數(shù)目最大化。另外，在參考文獻(xiàn)中還針對(duì)分布式系統(tǒng)進(jìn)行了討論。
評(píng)論