動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)技術(shù)

1、動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)技術(shù) 1低功耗設(shè)計(jì)研究的必要性和可能性嵌入式系統(tǒng)是多個(gè)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(cè)試標(biāo)準(zhǔn)來(lái)對(duì)嵌入式系 統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估，如系統(tǒng)性能、穩(wěn)定性、能耗、設(shè)計(jì)和生 產(chǎn)費(fèi)用等，其中系統(tǒng)的能耗問(wèn)題在最近幾年已經(jīng)逐漸成為一個(gè)重要的 設(shè)計(jì)考慮因素。能量的高效使用除了能夠降低系統(tǒng)操作代價(jià)（例如電 能消耗）和減小環(huán)境影響（例如輻射干擾、噪聲）外，對(duì)延長(zhǎng)手持設(shè)備的 電池壽命來(lái)說(shuō)也非常有必要。為了在系統(tǒng)性能得到維護(hù)的同時(shí)降低系 統(tǒng)能耗，需要同時(shí)對(duì)硬件和軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)上的優(yōu)化，而嵌入式系統(tǒng)的 組成特點(diǎn)和應(yīng)用特性也為能耗降低帶來(lái)了可能性。1.

2、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(jì)過(guò)程中的一個(gè)重要研究 點(diǎn)，其重要性隨著手持設(shè)備的普及而越來(lái)越突出。嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)者 在以往設(shè)計(jì)過(guò)程中，將系統(tǒng)的穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性、安全性等作為設(shè)計(jì)和 考慮的重點(diǎn)。但是對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，現(xiàn)在又產(chǎn)生了一個(gè)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(gè)方面：現(xiàn)在越來(lái)越多的手持設(shè)備系統(tǒng)利用電池供電，而電池容量相對(duì) 有限，因此有必要通過(guò)降低功耗來(lái)延長(zhǎng)系統(tǒng)的可持續(xù)使用時(shí)間。半導(dǎo)體工業(yè)的迅速發(fā)展使得系統(tǒng)集成度和時(shí)鐘頻率得到了顯 著提高，但I(xiàn)C器件運(yùn)算能力爆發(fā)性增長(zhǎng)的同時(shí)也導(dǎo)致系統(tǒng)的功耗急 劇上升，這將帶來(lái)熱量釋放的問(wèn)題，而且也給設(shè)備的封裝費(fèi)用帶來(lái)影 響?？梢酝ㄟ^(guò)系

3、統(tǒng)功耗的降低來(lái)減小整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)成本。電池技術(shù)的發(fā)展速度嚴(yán)重滯后于系統(tǒng)能耗需求的增長(zhǎng)速度:在 最近30年里電池容量只增長(zhǎng)了 48倍，但在相同的時(shí)間范圍內(nèi)數(shù) 字IC運(yùn)算能力的增長(zhǎng)卻超過(guò)了 4個(gè)數(shù)量級(jí)。采用系統(tǒng)功耗降低技術(shù) 可以彌補(bǔ)電池技術(shù)發(fā)展的不足。綠色電器理念越來(lái)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(rèn)可。人們對(duì)環(huán)境問(wèn)題的關(guān)心程度越來(lái)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(yán)重。能量?jī)r(jià)格上浮等因素也從另外一個(gè)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(huì)從 多個(gè)方面影響系統(tǒng)的整體性能。因此，電子設(shè)計(jì)者在進(jìn)行系

4、統(tǒng)設(shè)計(jì)， 尤其是針對(duì)手持設(shè)備類的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，系統(tǒng)能耗將是一個(gè) 越來(lái)越重要的設(shè)計(jì)因素。1. 2可能性現(xiàn)在的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)是軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的過(guò)程，其系統(tǒng)組成和 應(yīng)用特性為動(dòng)態(tài)的低功耗策略設(shè)計(jì)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(fù)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(lái)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(dòng)態(tài)的功耗管理提供了可能，即系 統(tǒng)可以根據(jù)工作負(fù)載變化情況合理設(shè)置目標(biāo)設(shè)備的工作模式。這就是 動(dòng)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(yùn)行期間根據(jù)應(yīng)用任務(wù)的 時(shí)

5、間限制發(fā)生實(shí)時(shí)變化成為可能，即動(dòng)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(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)提 供了硬件設(shè)計(jì)條件。工作負(fù)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(gè) 便攜式系統(tǒng)具有處理器單元、模擬單元(無(wú)線卡)、機(jī)械部分(硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)) 以及光學(xué)器件(顯示器)。顯然，這4個(gè)單元在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中實(shí)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(fù)載情況下為達(dá)到峰 值性能而進(jìn)行設(shè)計(jì)，但是系統(tǒng)通常處于欠負(fù)載工作狀態(tài)，而且工作負(fù) 載具有不均勻性。工作負(fù)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(méi)有任務(wù)對(duì)某個(gè)目標(biāo)設(shè)備產(chǎn)生服務(wù)請(qǐng)求，則 該設(shè)備

6、處于空閑狀態(tài)，從而可以將其關(guān)閉，使之進(jìn)入低功耗、低性能 的睡眠模式；當(dāng)某個(gè)運(yùn)行的任務(wù)需要使用該設(shè)備時(shí)，則將其喚醒，使 之進(jìn)入高功耗、高性能的工作狀態(tài)。系統(tǒng)嵌入當(dāng)設(shè)計(jì)出節(jié)能效果顯著的動(dòng)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(shí)際應(yīng)用。動(dòng)態(tài)低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)的重要性越來(lái)越 突出，這除了從文獻(xiàn)中的研究成果可以看出之外，還可以通過(guò)系統(tǒng)動(dòng) 態(tài)功耗管理工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(jí)電源管理(Advaneed PowerManagement, APM)、高級(jí)配置和電源接口 (AdvancedConfiguration and

7、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(biāo)準(zhǔn)軟硬件接口。ACPI允許設(shè)備廠家、操作系 統(tǒng)設(shè)計(jì)者、設(shè)備驅(qū)動(dòng)編程人員使用同一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)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(guò)對(duì)APM、ACPI機(jī)制的引用或改進(jìn)，可以很容易地將低 功耗設(shè)計(jì)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(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)

8、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(guò)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(lái)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(guò)軟件優(yōu)化編譯技術(shù)來(lái)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)

9、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(wèn)題被建模成一個(gè) 整數(shù)線性問(wèn)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(lái)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 Management，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(wú)負(fù)載狀態(tài)時(shí)，就發(fā)送命令來(lái) 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(guò) 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(guò) 程中則能夠很好地自適應(yīng)于工作負(fù)載變