動態(tài)電壓調(diào)節(jié)設(shè)計技術(shù)

1、動態(tài)電壓調(diào)節(jié)設(shè)計技術(shù) 1低功耗設(shè)計研究的必要性和可能性嵌入式系統(tǒng)是多個設(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)了許多測試標(biāo)準(zhǔn)來對嵌入式系 統(tǒng)的整體設(shè)計質(zhì)量進(jìn)行評估，如系統(tǒng)性能、穩(wěn)定性、能耗、設(shè)計和生 產(chǎn)費用等，其中系統(tǒng)的能耗問題在最近幾年已經(jīng)逐漸成為一個重要的 設(shè)計考慮因素。能量的高效使用除了能夠降低系統(tǒng)操作代價（例如電 能消耗）和減小環(huán)境影響（例如輻射干擾、噪聲）外，對延長手持設(shè)備的 電池壽命來說也非常有必要。為了在系統(tǒng)性能得到維護(hù)的同時降低系 統(tǒng)能耗，需要同時對硬件和軟件進(jìn)行設(shè)計上的優(yōu)化，而嵌入式系統(tǒng)的 組成特點和應(yīng)用特性也為能耗降低帶來了可能性。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)計過程中的一個重要研究 點，其重要性隨著手持設(shè)備的普及而越來越突出。嵌入式系統(tǒng)設(shè)計者 在以往設(shè)計過程中，將系統(tǒng)的穩(wěn)定性、實時性、安全性等作為設(shè)計和 考慮的重點。但是對系統(tǒng)設(shè)計者來說，現(xiàn)在又產(chǎn)生了一個新的挑戰(zhàn) 降低系統(tǒng)的能量消耗，其必要性體現(xiàn)在以下6個方面：現(xiàn)在越來越多的手持設(shè)備系統(tǒng)利用電池供電，而電池容量相對 有限，因此有必要通過降低功耗來延長系統(tǒng)的可持續(xù)使用時間。半導(dǎo)體工業(yè)的迅速發(fā)展使得系統(tǒng)集成度和時鐘頻率得到了顯 著提高，但I(xiàn)C器件運算能力爆發(fā)性增長的同時也導(dǎo)致系統(tǒng)的功耗急 劇上升，這將帶來熱量釋放的問題，而且也給設(shè)備的封裝費用帶來影 響?？梢酝ㄟ^系

3、統(tǒng)功耗的降低來減小整個系統(tǒng)的設(shè)計和生產(chǎn)成本。電池技術(shù)的發(fā)展速度嚴(yán)重滯后于系統(tǒng)能耗需求的增長速度:在 最近30年里電池容量只增長了 48倍，但在相同的時間范圍內(nèi)數(shù) 字IC運算能力的增長卻超過了 4個數(shù)量級。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。人們對環(huán)境問題的關(guān)心程度越來越高。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。能量價格上浮等因素也從另外一個方面體現(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)能耗的大小將會從 多個方面影響系統(tǒng)的整體性能。因此，電子設(shè)計者在進(jìn)行系

4、統(tǒng)設(shè)計， 尤其是針對手持設(shè)備類的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計過程中，系統(tǒng)能耗將是一個 越來越重要的設(shè)計因素。1. 2可能性現(xiàn)在的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計是軟硬件協(xié)同設(shè)計的過程，其系統(tǒng)組成和 應(yīng)用特性為動態(tài)的低功耗策略設(shè)計與應(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)核的工作電壓在運行期間根據(jù)應(yīng)用任務(wù)的 時

5、間限制發(fā)生實時變化成為可能，即動態(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態(tài)調(diào)節(jié)提 供了硬件設(shè)計條件。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 便攜式系統(tǒng)具有處理器單元、模擬單元(無線卡)、機(jī)械部分(硬盤驅(qū)動) 以及光學(xué)器件(顯示器)。顯然，這4個單元在系統(tǒng)運行過程中實現(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，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。如果沒有任務(wù)對某個目標(biāo)設(shè)備產(chǎn)生服務(wù)請求，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)某個運行的任務(wù)需要使用該設(shè)備時，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)計出節(jié)能效果顯著的動態(tài)低功耗策略后，還必須將其嵌入到 系統(tǒng)程序中才能得到實際應(yīng)用。動態(tài)低功耗設(shè)計技術(shù)的重要性越來越 突出，這除了從文獻(xiàn)中的研究成果可以看出之外，還可以通過系統(tǒng)動 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 都支持高級電源管理(Advaneed PowerManagement, APM)、高級配置和電源接口 (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)計者、設(shè)備驅(qū)動編程人員使用同一個標(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。通過對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)與動態(tài)低功耗設(shè)計在系統(tǒng)級，有4種主要的能量消耗源：處理單元、存儲單元、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

8、在保證各個單 元交互效應(yīng)達(dá)到平衡的同時，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)和動態(tài)技術(shù)。靜態(tài)技術(shù)主要在系統(tǒng)初始設(shè)計過程中使用，其 假設(shè)系統(tǒng)的功能定義和工作模式已知，而且將來也不會改變。在嵌入 式系統(tǒng)軟硬件設(shè)計的初期階段，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 響到運行程序的能耗；代碼存儲器和內(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，針對采用EDF調(diào)

9、度方法的實時系統(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 整數(shù)線性問題，該系統(tǒng)包含一組具有相同到達(dá)時間和任務(wù)執(zhí)行期限， 但是上下文切換代價不同的任務(wù)。與靜態(tài)技術(shù)相對應(yīng)，動態(tài)技術(shù)則是系統(tǒng)在運行階段充分利用工作 負(fù)載的變化性來動態(tài)改變設(shè)備工作模式，從而達(dá)到降低系統(tǒng)功耗的目 的。動態(tài)技術(shù)本質(zhì)上是一個系統(tǒng)級的設(shè)計方法，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，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)用特性也為動態(tài) 的低功耗策略設(shè)計與應(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)計階段使用一次，在運行過 程中不能根據(jù)工作負(fù)載的變化而靈活處理；動態(tài)低功耗技術(shù)在運行過 程中則能夠很好地自適應(yīng)于工作負(fù)載變