| 摘要 系統(tǒng)功耗是阻礙當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)功耗的核心是運用適當?shù)碾娫垂芾恚╬ower management）策略,關(guān)鍵是準確反映和利用系統(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,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。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,即在電路輸出時開關(guān)電容進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： �、� 降低電容量或者電路的儲電量。
② 降低開關(guān)的活躍性。由于計算機芯片被越來越復雜的功能性所包裝,使得芯片的開關(guān)活躍性增強,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。時鐘門控（time gating）技術(shù)是當前流行的降低開關(guān)活躍性的技術(shù),這種技術(shù)使得時鐘信號不通過閑置應(yīng)用單元。因為時鐘網(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。
�、� 降低信號頻率。
�、� 降低電壓。 后兩種方法是以降低系統(tǒng)性能為代價的,但同時也是降低系統(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)信息的準確檢測和管理,以及對電源管理策略進行準確的效率統(tǒng)計。 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)的實時指標包括響應(yīng)時間（response time）、延時（latency）和任務(wù)截止期（deadline）。硬實時任務(wù)對這些指標有硬性的要求,當系統(tǒng)不能達到該指標時,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;軟實時任務(wù)則對其只有軟性要求,達不到指標的后果只是無法提供要求的服務(wù)質(zhì)量。任務(wù)的信息除了實時指標以外,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)測計時, 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。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,在線策略是針對負載未知的系統(tǒng)的電源管理策略。因為在實際系統(tǒng)中,系統(tǒng)下一個任務(wù)請求的到達時間是不可能完全正確預知的,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知下一個任務(wù)請求到達時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,即系統(tǒng)性能。預測錯誤率是針對預測策略的效率指標,它等于預測錯誤次數(shù)與總預測次數(shù)之間的比值,并可利用布爾數(shù)來判斷預測錯誤率的評估函數(shù)。 1.2 Running狀態(tài)下的電源管理方法 當系統(tǒng)處于Running狀態(tài)時,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)或者工作模式來達到降低功耗的目的。例如： 任務(wù)按照運算密集型和存取密集型分類,在執(zhí)行運算密集型的任務(wù)時,可以在保證任務(wù)完成的實時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,可以通過降低處理器的工作頻率來降低功耗。 當系統(tǒng)執(zhí)行多工作量的任務(wù)或者同時執(zhí)行多任務(wù)時,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)空閑時間盡可能集中,以實現(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： �、� 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。
② 對于調(diào)度能耗與截止期完全相同的調(diào)度,先到達者具有更高的優(yōu)先級。
�、� 當有外部任務(wù)請求使用休眠的設(shè)備時,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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