摘要:分析嵌入式系統(tǒng)對動態(tài)電源管理的需求,并在此基礎上提出了與之適應的,以策略框架為中心的系統(tǒng)級動態(tài)電源管理架構。利用這種構架可以整合針對不同組件的動態(tài)電源管理算法和機制,從系統(tǒng)角度進行行之有效的管理。該架構應用于TD-SCDMA無線終端上,平均能耗下降了50%,取得良好的效果。
1 簡介
隨著系統(tǒng)集成技術和無線通信技術的快速發(fā)展,嵌入式系統(tǒng)的應用日趨網(wǎng)絡化。尤其是無線通信系統(tǒng)中,人們對嵌入式設備提出了更高的要求:除了提供基本的語音、數(shù)據(jù)通信等基本功能外,還需要事例復雜的多媒體應用。這就要求嵌入式系統(tǒng)在滿足必要的實時性前提下,提供更高的計算性能和大容量的存儲空間;在這些系統(tǒng)一般都帶有電池部件并通過它向整個系統(tǒng)供電。滿足高性能要求的代價是更大的能量消耗,這就必須縮短電池的供電時間。大量研究證明,系統(tǒng)處于空閑的時間占整個運行時間的相當大一部分。電源管理就是為了減少系統(tǒng)在空閑時間的能量消耗,使嵌入式系統(tǒng)的有效能量供給率最大化,從而延長電池的供電時間。
為了延長電池的使用時間,在硬件領域,低功耗硬件電路的設計方法得到了廣泛應用。然而僅僅利用低功耗硬件電路仍舊不夠,進一步的,在系統(tǒng)設計技術中,提出了“動態(tài)電源管理DPM(Dynamic Power Management)”的概念。在DPM中,普通的方法是把系統(tǒng)中不在使用的組件關閉或者進入低功耗模式(待機模式),另外一種更加有效的方法就是動態(tài)可變電壓DVS和動態(tài)可變頻率DFS。通過在運行時態(tài)動態(tài)地調(diào)節(jié)CPU頻率或者電壓??梢栽跐M足瞬時性能的前提下,使得有效能量供給率最大化。
硬件上提供的低功耗機制,需要軟件實現(xiàn)上來發(fā)揮它的效能。理想的條件下,是希望在系統(tǒng)中,以“功率監(jiān)控(power-aware)”的方法,管理不同的系統(tǒng)資源(硬件和軟件上的資源),這樣才能滿足嵌入式系統(tǒng)高性能和低功耗的要求。據(jù)研究顯示,系統(tǒng)范圍內(nèi)能量的驟降,完全因為系統(tǒng)任務的工作負荷急劇增加和外設的頻繁利用。必然地,實時嵌入式操作系統(tǒng)就成了唯一理想的來實現(xiàn)軟件上的DPM。這是因為:①實時嵌入式操作系統(tǒng)可以決策不同應用任務的運行,可以收集任務相關的實時限制信息和性能需求信息;②實時嵌入式操作系統(tǒng)可以直接控制底層的硬件,利用硬件提供的DPM技術或者機制。
本文主要根據(jù)嵌入式系統(tǒng)的特點,提出一個系統(tǒng)級的DPM構架。
2 DPM構架需求
DPM構架是結構化的規(guī)則和機制來整合系統(tǒng)不同組件的DPM技術或者相關算法,使之能從整個系統(tǒng)的角度來著眼系統(tǒng)的電源管理問題,而不是僅僅局限于系統(tǒng)的某一組件。
①DPM構架應具有靈活性。由于嵌入式系統(tǒng)沒有一個開放式的統(tǒng)一標準,因此DPM系統(tǒng)構架應具有靈活性,使之能在不同平臺中得到應用。DPM系統(tǒng)盡管作為操作系統(tǒng)的一個獨立模塊,但是應該和操作系統(tǒng)透明,上層的應用通過DPM間接對硬件提供的電源管理機制進行控制,無須考慮底層的硬件細節(jié)。
②DPM構架需要收集系統(tǒng)的資源利用信息。DPM系統(tǒng)通過收集上層應用的信息和設備的信息,利用這些信息作出決策,進行整個系統(tǒng)范圍內(nèi)的電源管理。
③DPM應支持普通任務和功能監(jiān)控任務并發(fā)管理機制。理想的情況下,對于每一個應用都希望功率監(jiān)控,這樣可以大大降低系統(tǒng)的能耗。然而,實際中,應用開發(fā)來自不同的廠商,大多數(shù)是對硬件透明的,因此實現(xiàn)每一個任務的功率監(jiān)控是非常困難的;只有少數(shù)關鍵程序,由嵌入式系統(tǒng)的設計者開發(fā)。因為他們熟悉硬件的特性,可以實現(xiàn)功率監(jiān)控,所以,在DPM系統(tǒng)中,應用采取某種機制實現(xiàn)兩種混合任務的電源管理。
④DPM對外設管理應具有透明性。外設狀態(tài)的變化應該做到和上層應用的DPM策略無關,不會因為外設狀態(tài)的變化,而影響上層所采用的DPM策略的變化。
⑤DPM構架應支持硬件提供的電源管理機制和技術。比如DVS、DFS,系統(tǒng)的不同電源模式(活動、睡眠、冬眼),外設的時鐘管理,外設的自動睡眠技術等等。
3 DPM構架描述
首先需要明確的是,DPM不是DVS算法,也不是功率監(jiān)控的操作系統(tǒng),更不是類似ACPI的電源管理控制機制。它其實是一個操作系統(tǒng)模塊,負責管理運行時態(tài)的電源管理。DPM策略管理者和應用程序通過簡單的API和該模塊交互。盡管沒有ACPI應用廣泛,DPM架構卻可以對設備和設備驅(qū)動進行管理,這樣就適合對高整合的SoC處理器進行有效的電源管理。
本文提出的DPM是以策略框架(policy framework)為中心的軟件結構。其中包含幾個重要的概念:操作點(operationg point)、操作狀態(tài)(operationg state)、策略(policy)、約束(constraint)。
(1)操作點
在給定時間點上,系統(tǒng)運行在某個特定操作點上。操作點封裝了最小的、相互關聯(lián)的、物理的離散參數(shù)集合。一般來說,參數(shù)主要是CPU的頻率、電壓、電源管理模式、總線頻率和不同外設狀態(tài)等。一旦確定了操作點,也就確定了整個系統(tǒng)的性能等級和與之關聯(lián)的能耗等級。操作點由系統(tǒng)的設計者定義,在定義的時候必須注意到參數(shù)間的相關性和合理性。比如,在某種特定電源管理模式下,CPU的最高核心電壓被限制,而在核心電壓的限制下,可變頻CPU的工作頻率不能超過一個最大值。對于支持多操作點的嵌入式系統(tǒng),當某個事件發(fā)生時,系統(tǒng)會從有一個操作點切換到另一個操作點。這樣就需要定義一種機制,來管理不同操作點的切換。對于這一點,會在后面的操作點類型和設備管理中詳細描述。在策略框架結構中,操作點是最底層的抽象對象。
在OMAP1612中包含兩個內(nèi)核:ARM926EJS和C5510(DSP)。ARM內(nèi)核負責整個系統(tǒng)的管理、無線通信協(xié)議棧和應用程序的運行;DSP內(nèi)核負責與無線通信相關的數(shù)字信號處理。其中,ULPD(Ultralow-Power-Device)模塊提供了芯片級的電源管理機制,包括時鐘、電壓、省電模式的管理。UPLD分為三個不同的工作模式—Deep Sleep、Big Sleep和Awake,分別對應不同的能耗等級。TC(Traffic Controller)負責管理相關存儲器接口。
(2)操作狀態(tài)
如果把操作點比喻為點的話,操作狀態(tài)就是一個面。在多操作點的系統(tǒng)下,操作狀態(tài)與操作點的關系是一對多的關系。引入操作狀態(tài)的動機主要有兩個考慮。
①為了利用DVS和DFS,需要實時監(jiān)控系統(tǒng)的工作負荷,但是工作負荷是一個連續(xù)值,而操作點卻是離散的。極端的情況下,可以為不同的工作負荷定主不同的操作點:但是,由于硬件上改變頻率和電壓都存在延遲和多余的能量消耗,如果頻繁地改變操作點,效果卻適得其反,因此需要對工作負荷的范圍進行劃分。在實際情況下,系統(tǒng)的工作負荷和操作系統(tǒng)的狀態(tài)緊密相磁。一般可以把操作系統(tǒng)看作一個狀態(tài)機,操作系統(tǒng)通過事件的觸發(fā),在沒的狀態(tài)音間切換。簡單地,可以把操作系統(tǒng)的狀態(tài)與操作狀態(tài)一一對應。由于處于“空閑”和“調(diào)度”,對應不同的工作量范圍,映射不同的操作點。當然可以對“調(diào)度”狀態(tài)再進行劃分。
②作為功率監(jiān)控的任務,它可以配置特定一個或者多個操作點,但是為了維持底層硬件細節(jié)對任務的透明性,通過設置操作狀態(tài)來間接指定操作點,體現(xiàn)了DPM構架的靈活性。為了滿足這樣的需求,DPM構架中引入了“任務狀態(tài)(task state)”的概念。對于功率監(jiān)控的任務來說,可以在自己的代碼空間中,根據(jù)任務本身的運行狀況設置該任務自己的任務狀態(tài),而任務狀態(tài)作為特定的操作狀態(tài)在系統(tǒng)初始化的時候登記到DPM中。當在操作系統(tǒng)任務上下文調(diào)度切換的時候,根據(jù)任務狀態(tài),直接調(diào)用DPM的相關例程,應用新的操作狀態(tài);對于普通的任務,在“任務狀態(tài)”操作中配置參數(shù)“NO STATE”?!埃危稀。樱裕粒裕拧北硎緵]有特定的任務狀態(tài),即不改變系統(tǒng)當前的操作點.那么,該任務的運行在上下文切換時,能保持原有的操作狀態(tài)。
由于要同時管理普通任務和功率監(jiān)控任務,在上下文切換設置操作狀態(tài)的最低點必然會出現(xiàn)DVS算法和應用頻率監(jiān)控任務狀態(tài)的矛盾。為了解決這個問題,需要引入操作狀態(tài)優(yōu)先級機制。在實現(xiàn)中,功率監(jiān)控的任務狀態(tài)對應的操作狀態(tài)優(yōu)先級高于DVS算法配置的操作狀態(tài)。這樣,在上述矛質(zhì)出現(xiàn)的時候,優(yōu)先應用功率監(jiān)控任務配置的操作狀態(tài)。
根據(jù)操作系統(tǒng)運行的狀態(tài),簡單地定義了五種操作狀態(tài)——空閑、任務-、任務+、任務、睡眠,并且給出了操作狀態(tài)之間的狀態(tài)遷移,如圖1所示。特別地,當操作系統(tǒng)處于中斷狀態(tài)時,并不為其定義特定的操作狀態(tài),而是通過把中斷處理例程的任務狀態(tài)定義為“NO?。樱裕粒裕拧眮韺崿F(xiàn)。
(3)策略和策略管理者
DPM最高級的抽象對象是策略。定義一個策略就是定義每個操作狀態(tài)所映射的操作點。在系統(tǒng)中,對某個電源管理方案必須至少定義一個策略,也可以根據(jù)不同情況不定期義多策略。在多策略電源方案中,需要策略管理器來協(xié)調(diào)不同的策略。策略管理器可以從操作系統(tǒng)、用戶調(diào)用、運行程序、物理設備收集信息從而作出策略決策。策略管理器的位置(用戶空間和內(nèi)核空間)、所收集信息的內(nèi)容和形式以及相應的操作,需要系統(tǒng)的DPM設計者來定義和實現(xiàn)。
(4)設備管理和同等操作點類
在DPM架構中,策略管理者不會直接對設備的狀態(tài)進行管理,而是通過底層的設備驅(qū)動來管理設備的能耗。在某個操作狀態(tài)下,映射一類可以在該狀態(tài)下能被系統(tǒng)接受的操作點。在該狀態(tài)下,當某個睡眠的設備需要被喚醒的時候,通過驅(qū)動對DPM聲明約束(constraints),接著DPM在這一類的操作點中選擇另外一個操作點,使得該操作點下,該設備能夠正常工作,選擇的機制可以在策略中定義。簡單的方法是選擇該類中合法的(滿足約束條件)能耗最低的操作點,或者是特別指不定期某個操作點。
4?。模校湍K實現(xiàn)
在實時嵌入式操作系統(tǒng)Nucleus微內(nèi)核中實現(xiàn)了DPM模塊,采用的平臺是基于TI?。希停粒校保叮保驳模裕模樱茫模停翢o線終端參考設計(32MB?。模模遥粒停保罚丁粒玻玻啊。保禸pp TFT液晶顯示屏,USB和其它外設)。圖2是整合DPM的操作系統(tǒng)結構。
在DPM模塊中,整合了策略管理、功率監(jiān)控調(diào)度器(power-aware scheduler)、工作負荷監(jiān)控器、操作狀態(tài)管理器、操作點管理、約束管理六個子模塊。其中,功率監(jiān)控調(diào)度器和工作負荷監(jiān)控器嵌入到內(nèi)核的上下文切換中,工作負荷監(jiān)控器通過計算操作系統(tǒng)處于空閑調(diào)度的時間和采樣周期的比值來表征CPU的工作負荷,然后把這個值傳遞給功率監(jiān)控調(diào)度器,通過內(nèi)部整合“動態(tài)減慢因子”DVS算法,預測下一任務的工作負荷,并設置與之相對應的操作狀態(tài)。其它四個模塊分別對構架中的抽象對象操作點、約束、操作狀態(tài)、策略進行管理。特別地,策略管理的核心是策略管理者,它以一個獨立線程的形式運行在內(nèi)核空間。
5 結論
經(jīng)過測試,整合DPM的TD-SCDMA無線終端平均能耗下降了50%。其中在操作點High Active時,電流為400mA左右,而在操作點Sleep時降到了200mA左右;如果應用操作點Deep Sleep(關閉ARM、DSP和所有設備,維持一個32kHz的時鐘)電流甚至可以降到10~20mA,完全滿足長時間待機。實驗表明,利用DPM構架,可以對3G無線終端實行之有效的動態(tài)電源管理。隨著半導體技術、應用程序優(yōu)化技術以及高粒度時鐘門控和電壓門控技術的發(fā)展,為提升嵌入式系統(tǒng)的有效能量供給率提供了可能。利用這些新技術繼續(xù)開發(fā)和改進DPM架構和實現(xiàn),正是今后研究的方向和重點。
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