嵌入式系統(tǒng)動態(tài)電壓調(diào)節(jié)設(shè)計技術(shù)
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嵌入式系統(tǒng)是多個設(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)了許多測試標準來對嵌入式系統(tǒng)的整體設(shè)計質(zhì)量進行評估，如系統(tǒng)性能、穩(wěn)定性、能耗、設(shè)計和生產(chǎn)費用等，其中系統(tǒng)的能耗問題在最近幾年已經(jīng)逐漸成為一個重要的設(shè)計考慮因素。能量的高效使用除了能夠降低系統(tǒng)操作代價(例如電能消耗)和減小環(huán)境影響(例如輻射干擾、噪聲)外，對延長手持設(shè)備的電池壽命來說也非常有必要。為了在系統(tǒng)性能得到維護的同時降低系統(tǒng)能耗，需要同時對硬件和軟件進行設(shè)計上的優(yōu)化，而嵌入式系統(tǒng)的組成特點和應(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)計過程中的一個重要研究點，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)計者在以往設(shè)計過程中，將系統(tǒng)的穩(wěn)定性、實時性、安全性等作為設(shè)計和考慮的重點。但是對系統(tǒng)設(shè)計者來說，現(xiàn)在又產(chǎn)生了一個新的挑戰(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，而電池容量相對有限，因此有必要通過降低功耗來延長系統(tǒng)的可持續(xù)使用時間。
②半導(dǎo)體工業(yè)的迅速發(fā)展使得系統(tǒng)集成度和時鐘頻率得到了顯著提高，但IC器件運算能力爆發(fā)性增長的同時也導(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)備的封裝費用帶來影響?？梢酝ㄟ^系統(tǒng)功耗的降低來減小整個系統(tǒng)的設(shè)計和生產(chǎn)成本。
③電池技術(shù)的發(fā)展速度嚴重滯后于系統(tǒng)能耗需求的增長速度：在最近30年里電池容量只增長了4～8倍，但在相同的時間范圍內(nèi)數(shù)字IC運算能力的增長卻超過了4個數(shù)量級。采用系統(tǒng)功耗降低技術(shù)可以彌補電池技術(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可。
⑤人們對環(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重。
⑥能量價格上浮等因素也從另外一個方面體現(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)能耗的大小將會從多個方面影響系統(tǒng)的整體性能。因此，電子設(shè)計者在進行系統(tǒng)設(shè)計，尤其是針對手持設(shè)備類的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計過程中，系統(tǒng)能耗將是一個越來越重要的設(shè)計因素。
1．2 可能性
現(xiàn)在的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計是軟硬件協(xié)同設(shè)計的過程，其系統(tǒng)組成和應(yīng)用特性為動態(tài)的低功耗策略設(shè)計與應(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，這為動態(tài)的功耗管理提供了可能，即系統(tǒng)可以根據(jù)工作負載變化情況合理設(shè)置目標設(shè)備的工作模式。這就是動態(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)核的工作電壓在運行期間根據(jù)應(yīng)用任務(wù)的時間限制發(fā)生實時變化成為可能，即動態(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態(tài)調(diào)節(jié)提供了硬件設(shè)計條件。
(2)工作負載
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，某個便攜式系統(tǒng)具有處理器單元、模擬單元(無線卡)、機械部分(硬盤驅(qū)動)以及光學(xué)器件(顯示器)。顯然，這4個單元在系統(tǒng)運行過程中實現(xiàn)的功能各不相同。系統(tǒng)通常是在作最壞打算的工作負載情況下為達到峰值性能而進行設(shè)計，但是系統(tǒng)通常處于欠負載工作狀態(tài)，而且工作負載具有不均勻性。工作負載的變化性(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)對某個目標設(shè)備產(chǎn)生服務(wù)請求，則該設(shè)備處于空閑狀態(tài)，從而可以將其關(guān)閉，使之進入低功耗、低性能的睡眠模式；當某個運行的任務(wù)需要使用該設(shè)備時，則將其喚醒，使之進入高功耗、高性能的工作狀態(tài)。
(3)系統(tǒng)嵌入
當設(shè)計出節(jié)能效果顯著的動態(tài)低功耗策略后，還必須將其嵌入到系統(tǒng)程序中才能得到實際應(yīng)用。動態(tài)低功耗設(shè)計技術(shù)的重要性越來越突出，這除了從文獻中的研究成果可以看出之外，還可以通過系統(tǒng)動態(tài)功耗管理工業(yè)標準的建立明顯地看出?，F(xiàn)在主流的操作系統(tǒng)，如MicrosoftWindows、Linux都支持高級電源管理(Advaneed PowerManagement，APM)、高級配置和電源接口(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)功耗管理中的標準軟硬件接口。ACPI允許設(shè)備廠家、操作系統(tǒng)設(shè)計者、設(shè)備驅(qū)動編程人員使用同一個標準接口，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APM、ACPI機制的引用或改進，可以很容易地將低功耗設(shè)計策略嵌入到系統(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)與動態(tài)低功耗設(shè)計
在系統(tǒng)級，有4種主要的能量消耗源：處理單元、存儲單元、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)計在保證各個單元交互效應(yīng)達到平衡的同時，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)和動態(tài)技術(shù)。靜態(tài)技術(shù)主要在系統(tǒng)初始設(shè)計過程中使用，其假設(shè)系統(tǒng)的功能定義和工作模式已知，而且將來也不會改變。在嵌入式系統(tǒng)軟硬件設(shè)計的初期階段，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，從而影響到運行程序的能耗；代碼存儲器和內(nèi)存中的數(shù)據(jù)存取方式將影響到處理器和存儲單元之間的能量平衡；數(shù)據(jù)表達方式也將影響到通信資源的功耗。另外，在參考文獻中也已經(jīng)提出了一些靜態(tài)功耗管理策略。在參考文獻中，針對采用EDF調(diào)度方法的實時系統(tǒng)提出了一種尋找最優(yōu)電壓調(diào)度的靜態(tài)方法；在參考文獻中，作者研究了一個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到能耗的最優(yōu)化；在參考文獻中，低能耗非搶占式調(diào)度問題被建模成一個整數(shù)線性問題，該系統(tǒng)包含一組具有相同到達時間和任務(wù)執(zhí)行期限，但是上下文切換代價不同的任務(wù)。
與靜態(tài)技術(shù)相對應(yīng)，動態(tài)技術(shù)則是系統(tǒng)在運行階段充分利用工作負載的變化性來動態(tài)改變設(shè)備工作模式，從而達到降低系統(tǒng)功耗的目的。動態(tài)技術(shù)本質(zhì)上是一個系統(tǒng)級的設(shè)計方法，其最關(guān)鍵之處在于功耗管理(Power Man―agement，PM)單元：PM單元監(jiān)控整個系統(tǒng)的工作狀態(tài)，當發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)處于欠負載或者無負載狀態(tài)時，就發(fā)送命令來控制目標設(shè)備的工作模式。而嵌入式系統(tǒng)的組成和應(yīng)用特性也為動態(tài)的低功耗策略設(shè)計與應(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)計階段使用一次，在運行過程中不能根據(jù)工作負載的變化而靈活處理；動態(tài)低功耗技術(shù)在運行過程中則能夠很好地自適應(yīng)于工作負載變化情況，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態(tài)領(lǐng)域的低功耗設(shè)計技術(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)核的工作電壓在運行期間進行實時調(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)核工作電壓的動態(tài)調(diào)節(jié)提供了條件。另外在軟實時系統(tǒng)中，任務(wù)只需在規(guī)定的截止時間之前執(zhí)行完畢就能達到系統(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)的緊迫程度來動態(tài)調(diào)節(jié)處理器運行電壓，以達到任務(wù)響應(yīng)時間和系統(tǒng)低能耗之間的平衡。
DPM技術(shù)對非實時系統(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，不適用于實時系統(tǒng)。DVS技術(shù)卻能夠很好地解決嵌入式實時系統(tǒng)中的性能與功耗要求，根據(jù)當前運行任務(wù)的性能需求來實時調(diào)節(jié)處理器工作電壓。DVS技術(shù)主要基于這樣一個事實，即處理器的能量消耗與工作電壓的平方成正比關(guān)系。如果只對處理器的頻率進行調(diào)節(jié)，則所能節(jié)省的能量將很有限，這是因為功耗與周期時間成反比，而能耗又與執(zhí)行時間和功耗成正比。早期DVS原理基于處理器的利用率來設(shè)置其速度，并沒有考慮到運行任務(wù)的不同需求?，F(xiàn)在已經(jīng)針對實時系統(tǒng)提出了一些電壓調(diào)節(jié)策略。例如，參考文獻針對電壓可連續(xù)變化以及離散變化的處理器進行了討論：為了降低電壓可連續(xù)變化處理器的功耗，需要為每個任務(wù)找到一個具體的電壓，從而將整個執(zhí)行時間延長到對應(yīng)的截止期限(deadline)；對電壓離散變化的處理器來說，則至少需要為每個任務(wù)找到兩個執(zhí)行電壓。參考文獻則考慮了將周期性和非周期性任務(wù)進行聯(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，在參考文獻中還針對分布式系統(tǒng)進行了討論。
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