嵌入式系統(tǒng)動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)技術(shù)

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。