嵌入式便携设备中电源管理的分析与研究

xiaozuncai

摘要 系统功耗是阻碍当今世界便携式电子产品发展的一个重要因素。降低系统功耗的核心是运用适当的电源管理（power management）策略，关键是准确反映和利用系统状态信息和任务信息。本文从任务信息和系统状态两个角度，分析系统设备电源管理策略和方法，并提出一个基于最高决策的系统级电源管理模块构架。
关键词 系统状态 便携设备 电源管理 最高决策

引言

　　现今对电子系统设备性能的要求越来越高，在权衡电子系统的性能和功耗时，电子系统的性能往往得到更多的重视。容量有限的电池是便携设备的惟一能量来源，而电池容量的提高速度明显赶不上中央处理器性能的提高速度，因此，如何利用有限的电能为便携设备提供最高性能，是便携设备中电源管理的主要目标。除此之外，电源管理还要兼顾稳定性和散热性。电源管理模块是在可编程电源管理的设备上，为电源管理提供实现各种功耗模式的应用编程接口的软件模块。

　　功率消耗有两种方式： 静态功耗和动态功耗。静态功耗主要为晶体管泄漏（leakage）功率；动态功耗则来源于电路有效性激活，例如地址线或者数据线输入时引起的寄存器线路的有效性激活。开关电容所消耗的功率是动态功率消耗的最主要组成部分，即在电路输出时开关电容进行充放电过程所消耗的功率：



　　由式（1）可知Pdynamic依赖以下4个参数： C（电容量）、V（电压）、f（信号频率）和a(可变因数)。其中，a与芯片中出现0-1转换的次数有关。降低动态功耗的方法相应地分为4类：

　　①  降低电容量或者电路的储电量。
　　②  降低开关的活跃性。由于计算机芯片被越来越复杂的功能性所包装，使得芯片的开关活跃性增强，因而降低开关活跃性对降低系统动态功耗起到的作用越来越大。时钟门控（time gating）技术是当前流行的降低开关活跃性的技术，这种技术使得时钟信号不通过闲置应用单元。因为时钟网络是芯片功率消耗的主要部分，这种技术恰恰可以在处理器中有效地降低功率和电量消耗。
　　③  降低信号频率。
　　④  降低电压。

　　后两种方法是以降低系统性能为代价的，但同时也是降低系统功耗的主要手段。系统电源管理就是通过认识系统任务（task）和状态（status），利用合理的电源管理策略，权衡提高系统性能和降低系统功耗之间的关系，在功耗最低的情况下，为系统应用提供最优性能。本文从任务信息和系统状态两个角度对降低系统功耗的管理进行探讨研究，并提出一种基于最高决策的系统级电源管理模块构架。

1  功耗管理技术分析

1.1  系统状态、任务和电源管理策略信息

　　电源管理的前提是对系统设备状态及任务信息的准确检测和管理，以及对电源管理策略进行准确的效率统计。

　　系统状态包括Running（工作）状态、Idle（空闲）状态和Sleep（休眠）状态。有的系统可以提供多模式的工作状态，区别主要在于处理器工作频率、工作电压和设备组合的不同。任务的实时指标包括响应时间（response time）、延时（latency）和任务截止期（deadline）。硬实时任务对这些指标有硬性的要求，当系统不能达到该指标时，提供的数据或服务就会完全失效，甚至造成灾难性的后果；软实时任务则对其只有软性要求，达不到指标的后果只是无法提供要求的服务质量。任务的信息除了实时指标以外，还有执行任务所使用的设备部件。如果是多工作模式系统，则还要包括执行该任务的最低工作模式。许多操作系统和处理器都能够提供很好的检测模块和功能单元。例如，Linux的timer函数可以提供系统状态监测计时， Intel XScale处理器的PMU（Performance Monitoring Unit）单元，可以用来监视XScale平台的工作情况。对系统状态和任务信息的检测和管理是管理模块中的重要部分之一。

　　电源管理策略信息包括核心算法和工作效率。衡量电源管理策略的效率可以通过计算“竞争比”（competitive ratio）和“错误率”等来判断。D. Ramanathan[2]在利用竞争分析方法分析电源管理策略中使用了“竞争比”这个衡量指标。竞争分析方法的前提： 假设所研究的问题有一个竞争对手，而且这个对手对该问题的输入能够产生影响。竞争比的定义是在线（online）策略所消耗的资源与完成任务可能消耗的最少资源之间的比值。这里，在线策略是针对负载未知的系统的电源管理策略。因为在实际系统中，系统下一个任务请求的到达时间是不可能完全正确预知的，而可能消耗的最少资源就是在电源管理策略能完全正确预知下一个任务请求到达时间的前提下所消耗的资源。这里的资源可以简单地用功耗代替，也可以结合系统执行任务的延时，即系统性能。预测错误率是针对预测策略的效率指标，它等于预测错误次数与总预测次数之间的比值，并可利用布尔数来判断预测错误率的评估函数。

1.2  Running状态下的电源管理方法

　　当系统处于Running状态时，电源管理模块根据任务信息，在完成任务的前提下，通过转换系统设备的状态或者工作模式来达到降低功耗的目的。例如： 任务按照运算密集型和存取密集型分类，在执行运算密集型的任务时，可以在保证任务完成的实时需求的前提下通过降低总线频率来降低系统功耗；在执行存取密集型的任务时，可以通过降低处理器的工作频率来降低功耗。

　　当系统执行多工作量的任务或者同时执行多任务时，有效的电源管理策略是任务调度和任务截止期（deadline）相结合的电源管理策略。这种电源管理策略的基本思想是： 将任务按使用设备和任务集合分组，罗列所有调度可能，排除约束条件（在截止期内完成）以外的调度，在任务截止期内尽量使同组任务集中执行，从而使系统空闲时间尽可能集中，以实现动态电源管理。应用于该策略的任务调度流程如图1所示。


图1  结合任务截止期的任务调度流程

　　基于任务调度和任务截止期的电源管理策略的调度任务原则是：

　　①  调度能耗越低，则优先级越高；同组的任务按截止期排序；每组第一个任务的截止期越早，则该组调度的优先级越高；每组最后一个任务的截止期越早，则该组调度的优先级越高。
　　②  对于调度能耗与截止期完全相同的调度，先到达者具有更高的优先级。
　　③  当有外部任务请求使用休眠的设备时，电源管理模块重新安排任务的优先级。

　　设连续函数P(s)，如果系统设备运行在速度s下，则其消耗的功率为P。根据基于CMOS工艺的设备的立方根