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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3．2 DVS策略模型
本文通過對一組任務(wù)的調(diào)度過程來闡述DVS策略模型。假設(shè)某個嵌入式處理器的工作電壓能夠在一定范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)，且內(nèi)核程序需要處理5個相互獨立的任務(wù)Ta、Tb、Tc、Td、Te，其中Ta、Tb是周期性的任務(wù)，另外3個任務(wù)則是間發(fā)性的，如表1所列，其中的時間均為相對時間。Ta、Tb的截止期限與它們的周期有關(guān)。每個任務(wù)在到達之后可以立即被執(zhí)行或者延遲執(zhí)行，但是都必須在各自的截止期限到來之前執(zhí)行完畢。本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/152637.htm
假設(shè)系統(tǒng)最大的可供電壓為3．3 V，在該電壓下的功耗被標(biāo)準化為1W。由CMOS器件特性可知，供給電壓的降低將會導(dǎo)致電路延遲的增加。電路延遲更精確的表達式為：
式中k是常數(shù)，Vdd為工作電壓，Vt為門檻電壓。
假設(shè)Vt的典型值為O．8 V。顯然，當(dāng)沒有應(yīng)用任何功耗降低技術(shù)時，系統(tǒng)的功耗為1W。在對DVS調(diào)度技術(shù)進行說明的過程中，將其與DPM策略中的預(yù)測關(guān)閉技術(shù)進行了比較。當(dāng)使用預(yù)測關(guān)閉技術(shù)時，假設(shè)系統(tǒng)完全預(yù)知工作負載的空閑時段，即處理器一旦進入空閑狀態(tài)就立即將其關(guān)閉，從而使得該技術(shù)能夠?qū)ο到y(tǒng)功耗達到最大程度的優(yōu)化。DVS策略應(yīng)用的最終目的在于滿足各個任務(wù)截止期限的同時使得系統(tǒng)功耗最小化。任務(wù)調(diào)度過程采用了EDF(Earliest Deadline First)調(diào)度機制。
如圖1(a)所示，在系統(tǒng)預(yù)測關(guān)閉技術(shù)下，系統(tǒng)的工作電壓一直為3．3 V。所有任務(wù)在[O，4]、[5，13]時間段內(nèi)執(zhí)行完畢，而處理器在[4，5]、[13，20]時間段內(nèi)將被關(guān)閉，然后再為下一個周期性任務(wù)提供服務(wù)。處理器占空比是60％，因此平均功耗為0．6W。而在DVS應(yīng)用過程中，如圖1(b)所示，系統(tǒng)的平均功耗為O．38W，該值比預(yù)測關(guān)閉技術(shù)又降低了(O．6-O．38)／O．6=37％。
O．38W只是在不知道間發(fā)性任務(wù)(即Tc、Td、Te)到達時間的情況下所能達到的最小功耗值。如果能夠完全知道間發(fā)性任務(wù)的到達時間，則DVS最優(yōu)策略就能夠使處理器在所有時間內(nèi)都維持在一個最低的電壓水平，同時保證所有任務(wù)都滿足截止期限的要求。在圖1(b)中，如果系統(tǒng)能夠預(yù)知Tc、Td、Te的到達時間，則[0，20]時間段內(nèi)的最優(yōu)電壓為2．48 V，該電壓值所對應(yīng)的處理器速度為最大速度的60％(即[3．3／(3．3―0．8)2]／[2．48／(2．48―0．8)2])，該運行速度也導(dǎo)致系統(tǒng)的平均功耗降為0．34W。顯然，這個功耗平均值也對應(yīng)著在不知道間發(fā)性任務(wù)到達時間的情況下系統(tǒng)功耗所能達到的最小邊界值。
3．3 DVS與DPM的比較
通過對DVS、DPM的基本原理以及策略模型的闡述可以看出，DVS與DPM原理之間有著明顯的區(qū)別，但同時也存在著一致性。
DVS與DPM的區(qū)別在于：
①DVS在運行過程中根據(jù)工作負載的應(yīng)用需求(即任務(wù)完成時間)來動態(tài)調(diào)節(jié)設(shè)備(以處理器為主)的工作電壓，而DPM原理則是根據(jù)工作負載的有無來設(shè)置設(shè)備工作模式。
②在DVS中，設(shè)備的工作電壓是可變的，因此需要穩(wěn)定的DC―DC電壓轉(zhuǎn)換電路；而在DPM中，設(shè)備的工作電壓處于恒定狀態(tài)。
③DVS一般應(yīng)用于對任務(wù)執(zhí)行時間要求比較嚴格的實時應(yīng)用系統(tǒng)中，它能夠很好地解決嵌入式實時系統(tǒng)中性能與功耗的要求。而DPM由于內(nèi)在的概率特性以及非確定性，不適用于實時系統(tǒng)，一般應(yīng)用于非實時系統(tǒng)。
DVS與DPM之間的一致性體現(xiàn)在：如果將設(shè)備工作電壓的連續(xù)變化(或者離散變化)也看成是工作模式的變換，那么就可以將DVS包含在DPM的范疇之內(nèi)。從該意義上來說，DVS延伸了有效工作狀態(tài)的定義，即包括多個連續(xù)或者分散電壓值，這樣在運行期間就出現(xiàn)了若干個能夠在性能和功耗之間取得平衡的工作狀態(tài)。通過這種方法，PM在系統(tǒng)有負載時就可以使用DVS，而系統(tǒng)處于空閑時則將器件轉(zhuǎn)移到低功耗狀態(tài)(DPM應(yīng)用)，這樣就能同時控制性能和功耗水平，從而得到更大的功耗節(jié)省。
通過上述比較分析可以看出，DPM與DVS兩者之間既存在著差異性，同時也保持著一致性，應(yīng)該根據(jù)系統(tǒng)特點來合理選擇應(yīng)用DPM與DVS。但是，當(dāng)DPM和DVS對某個系統(tǒng)都適用時，應(yīng)優(yōu)先考慮DVS，因為其能夠帶來更多的能耗節(jié)省。
結(jié) 語
以往的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計主要涉及功能、穩(wěn)定性、設(shè)計和生產(chǎn)費用等，系統(tǒng)功耗相對來說是一個比較新的設(shè)計考慮因素。降低功耗主要是基于延長手持設(shè)備中電池的壽命、降低芯片封裝和冷卻費用、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和減小環(huán)境影響等方面的考慮，其重要性隨著手持設(shè)備的普及而越來越突出。
盡管DPM和DVS技術(shù)在過去十幾年里都取得了很大的進步，但在系統(tǒng)低功耗設(shè)計領(lǐng)域中有關(guān)最優(yōu)化設(shè)計和分析的研究空間仍然很大。例如，與電池相關(guān)的DVS策略還需要進一步的研究。眾所周知，在電池供電系統(tǒng)中如果降低系統(tǒng)的工作電流或者工作電壓，將會導(dǎo)致電池容量的增加，這種現(xiàn)象在電壓調(diào)節(jié)的過程中應(yīng)該加以利用。
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