嵌入式便攜設(shè)備中電源管理的分析與研究
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)展的一個重要因素。降低系統(tǒng)功耗的核心是運(yùn)用適當(dāng)?shù)?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/電源管理">電源管理(power 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)兩個角度,分析系統(tǒng)設(shè)備電源管理策略和方法,并提出一個基于最高決策的系統(tǒng)級電源管理模塊構(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)今對電子系統(tǒng)設(shè)備性能的要求越來越高,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)功耗和動態(tài)功耗。靜態(tài)功耗主要為晶體管泄漏(leakage)功率;動態(tài)功耗則來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)行充放電過程所消耗的功率:
由式(1)可知Pdynamic依賴以下4個參數(shù): C(電容量)、V(電壓)、f(信號頻率)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)。降低動態(tài)功耗的方法相應(yīng)地分為4類:
① 降低電容量或者電路的儲電量。
② 降低開關(guān)的活躍性。由于計(jì)算機(jī)芯片被越來越復(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)活躍性對降低系統(tǒng)動態(tài)功耗起到的作用越來越大。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)鐘信號不通過閑置應(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)電源管理就是通過認(rèn)識系統(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)兩個角度對降低系統(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系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)及任務(wù)信息的準(zhǔn)確檢測和管理,以及對電源管理策略進(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)則對其只有軟性要求,達(dá)不到指標(biāo)的后果只是無法提供要求的服務(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)測計(jì)時(shí), Intel XScale處理器的PMU(Performance Monitoring Unit)單元,可以用來監(jiān)視XScale平臺的工作情況。對系統(tǒng)狀態(tài)和任務(wù)信息的檢測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計(jì)算“競爭比”(competitive ratio)和“錯誤率”等來判斷。D. Ramanathan[2]在利用競爭分析方法分析電源管理策略中使用了“競爭比”這個衡量指標(biāo)。競爭分析方法的前提: 假設(shè)所研究的問題有一個競爭對手,而且這個對手對該問題的輸入能夠產(chǎn)生影響。競爭比的定義是在線(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)下一個任務(wù)請求的到達(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)知下一個任務(wù)請求到達(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)測錯誤率是針對預(yù)測策略的效率指標(biāo),它等于預(yù)測錯誤次數(shù)與總預(yù)測次數(shù)之間的比值,并可利用布爾數(shù)來判斷預(yù)測錯誤率的評估函數(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,通過轉(zhuǎn)換系統(tǒng)設(shè)備的狀態(tài)或者工作模式來達(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)需求的前提下通過降低總線頻率來降低系統(tǒng)功耗;在執(zhí)行存取密集型的任務(wù)時(shí),可以通過降低處理器的工作頻率來降低功耗。
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:
① 調(diào)度能耗越低,則優(yōu)先級越高;同組的任務(wù)按截止期排序;每組第一個任務(wù)的截止期越早,則該組調(diào)度的優(yōu)先級越高;每組最后一個任務(wù)的截止期越早,則該組調(diào)度的優(yōu)先級越高。
?、?nbsp; 對于調(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。
③ 當(dāng)有外部任務(wù)請求使用休眠的設(shè)備時(shí),電源管理模塊重新安排任務(wù)的優(yōu)先級。
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:
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,例如簡單化的在線策略AVR[3](Average Rate)、OA(Optimal Available)和BKP策略[4]等就是這類策略的典型。其中: AVR策略假設(shè)系統(tǒng)中只有一個任務(wù)在執(zhí)行;OA策略假設(shè)不會再有新任務(wù)進(jìn)入安排;而BKP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)測的管理策略和基于隨機(jī)的管理策略。其中,Timeout策略最簡單易行。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)請求到達(dá)時(shí)再喚醒系統(tǒng)。通過這種方式達(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Timeout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,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),還會直接導(dǎo)致下一個Idle狀態(tài)持續(xù)時(shí)間的縮短。這樣基于對任務(wù)完成后Idle狀態(tài)時(shí)間和下一個任務(wù)來臨時(shí)間的預(yù)測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。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)測時(shí)刻和Idle狀態(tài)中的預(yù)測間隔由具體策略決定。
基于預(yù)測的電源管理策略的核心是,使用何種算法來利用系統(tǒng)反饋信息去更新算法的預(yù)測根據(jù)。要做出符合系統(tǒng)設(shè)備用戶使用習(xí)慣和任務(wù)請求的準(zhǔn)確預(yù)測,就需要對用戶習(xí)慣的認(rèn)識程度不斷加深,并對系統(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ALT(Adaptive Learning Tree)策略、PBALT(ProbabilityBased ALT)策略,以及基于AR(AutoRegressive)模型的預(yù)測控制反饋PCF(Predictive Control Feedback)預(yù)測策略等都是優(yōu)化過的預(yù)測策略。PBALT策略利用概率反映準(zhǔn)確率,加強(qiáng)了分樹之間的關(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)測策略的自適應(yīng)性是通過其反饋模塊來控制的;但預(yù)測策略本身在針對非平穩(wěn)狀態(tài)的任務(wù)請求時(shí)效率不穩(wěn)定,同時(shí),預(yù)測策略基本只考慮系統(tǒng)有一個工作模式,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。它將動態(tài)電源管理看作是隨機(jī)最優(yōu)化問題,而不像基于預(yù)測的電源管理策略那樣通過預(yù)測的方法消除任務(wù)請求的不確定性。基于CTMDP(連續(xù)時(shí)間馬爾可夫決定過程)的隨機(jī)決定動態(tài)電源管理策略給出了系統(tǒng)電源管理的一個最優(yōu)化的決定,但這種最優(yōu)化是在一個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)合起來對系統(tǒng)功耗進(jìn)行協(xié)同管理。該電源管理構(gòu)架中有一個策略集合,每個策略都有自己的優(yōu)先級,按需求使用各個策略來進(jìn)行多策略電源管理。但這種構(gòu)架也存在問題: 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)先級來決定使用電源管理策略,缺乏針對性;此外各策略信息應(yīng)該在執(zhí)行系統(tǒng)任務(wù)的過程中得到統(tǒng)計(jì),并自適應(yīng)地改變其優(yōu)先級。
這里提出一個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、信息檢測模塊和控制模塊5個主要部分,如圖4所示。
圖4 基于最高決策的降功管理模塊構(gòu)架
信息檢測模塊: 用于檢測系統(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: 通過對系統(tǒng)狀態(tài)和任務(wù)信息等進(jìn)行動態(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,通過控制模塊對系統(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)測策略對此任務(wù)完成后的Idle狀態(tài)持續(xù)時(shí)間的預(yù)測效率最高。電源管理策略控制期間,每一次決策的成功或失敗都會改變該電源管理策略的優(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。
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