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          嵌入式系統(tǒng)能耗的動態(tài)管理

          作者: 時間:2011-10-28 來源:網(wǎng)絡 收藏

          追溯歷史,處理器的低功耗是通過使用一些低功耗的空閑或睡眠模式來實現(xiàn)的?,F(xiàn)在,處理器要承擔更復雜的工作,需要更高的性能。新的應用程序(如音頻和視頻播放以及游戲等)一般運行時間都相當長,“運行時間”與“空閑時間”之比也上升得很快。傳統(tǒng)的電源技術(shù)在空閑時間中是非常有效的,但要在運行中節(jié)省電池能量就無能為力了。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/150089.htm

            此外,電源芯片制造商僅僅把注意力集中在供電的方面。情況一般是這樣的,處理器供應商給出輸入/輸出功率要求,功率半導體供應商則爭相開發(fā)出盡可能高效的滿足要求的 IC。然而,現(xiàn)在象開關(guān)穩(wěn)壓器這樣的電源管理 IC 效率已經(jīng)達到了 95% 的高峰。這迫使今天的電源 IC 供應商不僅要在價格上競爭,還要靠效率的每一點細微增長進行競爭。當前手機市場的發(fā)展趨勢顯示,這些傳統(tǒng)的方法已無法滿足業(yè)界對提升效率的需求。

            盡管電池技術(shù)一直有穩(wěn)定改進,如更長的壽命及更小的體積,但這種發(fā)展仍然無法趕上下一代設計快速增長的功率需求。要在新產(chǎn)品中將電池壽命延長到最終用戶可以接受的水平,普通的電源管理方法已經(jīng)不能勝任了。
            工藝技術(shù)的發(fā)展趨勢也加劇了電源管理的復雜性。過去,CMOS 晶體管在靜態(tài)時消耗功率很少,幾乎可以忽略不計。然而,隨著速度和密度的增加,工藝尺寸在不斷縮小,靜態(tài)功耗也在增長。根據(jù)估計,對于用 0.13 微米高速工藝實現(xiàn)的芯片,其靜態(tài)功耗要占總功耗的 15-20%。而且,隨著工藝技術(shù)進入 100 納米以下,靜態(tài)功耗將呈現(xiàn)指數(shù)式的增長,并將在處理器總功耗中占據(jù)主要部分。

            有一種方法可以協(xié)調(diào)高性能與低功耗之間的矛盾,這就是讓處理器根據(jù)當前的工作負載,運行在不同的性能等級上。舉例來說,一個 MPEG 視頻播放器需要的處理性能比 MP3 音頻播放器高一個數(shù)量級。因此,當播放 MP3 時,處理器可以運行在較低頻率上,而仍然能保證播放的高質(zhì)量。當時鐘頻率降低時,可以同時降低處理器的供電電壓,以達到節(jié)能的目的。

            電壓調(diào)整技術(shù) (DVS) 就利用了這樣一個事實,即 CMOS 工藝處理器的峰值頻率與供電電壓成正比。圖 1 顯示了頻率與電壓的關(guān)系,其中的測試使用了一個 ARM926EJ-S 處理器內(nèi)核(0.18 微米工藝)??梢钥吹睫D(zhuǎn)折點在大約 90 MHz,這是調(diào)整技術(shù)適用電壓范圍的一個限額。

            以下是一個 CMOS 電路的近似功率方程:

            P = CVDD 2fc + VDDIQ
            其中:
            · P 為供電電壓 VDD 消耗的功率
            · C(VDD)2fc 是源于切換的功耗部分(C 是電容,fc 為頻率)
            · VDDIQ 是源于泄漏的靜態(tài)功耗部分(IQ 為泄漏電流)

            顯然,對一個給定負載,功率的量值與供電電壓的平方成正比。

            減少供電電壓并同時降低處理器的時鐘速度,功耗將會呈二次方的速度下降,代價是增加了運行時間。由于每次電池充電后其中儲存的能量是有限的,所以能量管理技術(shù)是唯一一種可以擴展電池使用壽命的方法。圖 2 顯示的是當頻率與電壓都從最高值下調(diào)時,等效的節(jié)能情況。因為電壓的下降不可能超過某一個最低限,所以即使把頻率降低到曲度以下也不能產(chǎn)生更多的節(jié)能效果。因此,能量管理技術(shù)也存在一個適用頻率范圍,在這個范圍內(nèi)的電壓升降才是有效的(本例中約為 90-170 MHz)。

            電壓控制和頻率控制的要求

            圖 3 比較了兩種電源管理方法的效果,一種使用動態(tài)電壓調(diào)整法(DVS),另一種是普通的門控電源管理方法。DVS 方法能顯著降低整體功耗。

            一般來說,處理器運行得都太快了。例如,從 QoS 觀點來看,如果軟件只需要在一秒鐘內(nèi)顯示完 30 幀視頻圖像,則處理器在半秒內(nèi)就完成所有解碼是沒有意義的。提前完成任務的做法使能量利用效率較低。

            取得性能與節(jié)能平衡的關(guān)鍵在于使用智能軟件,它可以把處理器的性能降低到正好滿足應用軟件需求底線的水平。這種軟件應該包括“性能設定”算法,由該算法來確定處理器運行的最佳性能級別,并且管理象 DVS 這樣的性能調(diào)整技術(shù)。

          linux操作系統(tǒng)文章專題:linux操作系統(tǒng)詳解(linux不再難懂)

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