嵌入式系統(tǒng)能耗的動(dòng)態(tài)管理方案

一般來(lái)說(shuō)，處理器運(yùn)行得都太快了。例如，從 QoS 觀點(diǎn)來(lái)看，如果軟件只需要在一秒鐘內(nèi)顯示完 30 幀視頻圖像，則處理器在半秒內(nèi)就完成所有解碼是沒(méi)有意義的。提前完成任務(wù)的做法使能量利用效率較低。

取得性能與節(jié)能平衡的關(guān)鍵在于使用智能軟件，它可以把處理器的性能降低到正好滿(mǎn)足應(yīng)用軟件需求底線的水平。這種軟件應(yīng)該包括“性能設(shè)定”算法，由該算法來(lái)確定處理器運(yùn)行的最佳性能級(jí)別，并且管理象 DVS 這樣的性能調(diào)整技術(shù)。

現(xiàn)有的 DVS 系統(tǒng)使用的是開(kāi)環(huán)控制技術(shù)，CPU 的特性是通過(guò)給定時(shí)鐘速度和電壓下的工作量來(lái)確定的，并留有足夠的余量來(lái)適應(yīng)溫度、供電和晶圓工藝的變化。

嵌入式處理器被設(shè)計(jì)成能在寬廣的溫度范圍內(nèi)工作和適應(yīng)不同的硅工藝。因此，必須采用較高的安全裕度，才能在電源效率降低時(shí)確保足夠的安全工作范圍。隨著供電電壓逐步轉(zhuǎn)向 1.2V 或更低，所需安全裕度的百分比也隨之增加，以覆蓋溫度及硅片工藝的各種變化。

CMOS 電路的速度會(huì)隨溫度的升高而減慢，這一效應(yīng)必須算到供電電壓安全裕度里，雖然一般的工作溫度都是室溫。由于工藝技術(shù)的變數(shù)很多，如不同內(nèi)核、不同晶圓、不同批量甚至不同代工廠都各不相同。為了保證高的產(chǎn)量，這些保護(hù)帶(guard-b ands)可以相當(dāng)寬，從而對(duì)總體功耗有顯著的影響。

可以用大量的特性來(lái)構(gòu)建一個(gè)頻率與電壓對(duì)照表，以確保在所有工作條件下都能滿(mǎn)足性能要求。然后把一個(gè)確定的電壓／速度集合以硬編碼方式寫(xiě)到芯片中。在實(shí)際工作中，SoC 上定制的軟件驅(qū)動(dòng)通過(guò)一個(gè)專(zhuān)門(mén)的硬件接口來(lái)設(shè)定所需電壓級(jí)別。在改變時(shí)鐘頻率前，必須通過(guò)一個(gè)定時(shí)器或其它方法來(lái)檢查穩(wěn)定電壓狀態(tài)（VDD_OK）。

自適應(yīng)電壓調(diào)整(AVS)方法是一種閉環(huán)控制技術(shù)，它比 DVS 有明顯的改進(jìn)。AVS 采用固有的對(duì)工藝與溫度變化的補(bǔ)償，簡(jiǎn)化了電壓調(diào)整的方法，不再需要頻率／電壓表。這種技術(shù)的實(shí)現(xiàn)需要與嵌入式處理器協(xié)同使用幾個(gè)硬件性能監(jiān)控器，由它們接收從性能設(shè)定算法送來(lái)的更改性能級(jí)別的請(qǐng)求。這些性能監(jiān)控器可以準(zhǔn)確地監(jiān)控內(nèi)核內(nèi)外的工藝與溫度變化情況，并且通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)接口與外部的能量管理單元(EMU)進(jìn)行通信。

ARM國(guó)家半導(dǎo)體能量管理解決方案ARM公司一直在研究一種對(duì)性能調(diào)整硬件進(jìn)行智能控制的解決方案。美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司則一直在研究一種智能控制供電電壓、簡(jiǎn)化 DVS 方法以及通過(guò) AVS 減小安全裕度的解決方案。兩家公司現(xiàn)在已經(jīng)可以給電池供電設(shè)備的開(kāi)發(fā)商提供一種端到端的方案。

ARM 公司的 Intelligent Energy Manager（智能能量管理器，IEM）解決方案以一個(gè)軟件部件為中心，即 Intelligent Energy Management 軟件。IEM 軟件與運(yùn)行在應(yīng)用軟件下的操作系統(tǒng)(OS)相互銜接，使用從 OS 內(nèi)部架構(gòu)獲得的參數(shù)，通過(guò)正在運(yùn)行的應(yīng)用程序“指導(dǎo)” OS 的使用?？梢杂靡恍?fù)雜的軟件算法來(lái)評(píng)價(jià)不同類(lèi)型的軟件活動(dòng)，然后產(chǎn)生一個(gè)對(duì)未來(lái)性能的預(yù)測(cè)。每個(gè)預(yù)測(cè)結(jié)果用一個(gè)評(píng)測(cè)棧來(lái)加總，以確定出一個(gè)總體的性能預(yù)測(cè)。

策略棧的工作情況顯示在圖 4 中。每個(gè)算法都把自己的預(yù)測(cè)作為一種性能級(jí)別 (PeRF.)送進(jìn)棧中，每個(gè)預(yù)測(cè)都有一個(gè)相關(guān)的指令指出當(dāng)前預(yù)測(cè)的權(quán)重，如果信任水平為低則 IGNORE（放棄該預(yù)測(cè)），如果為高則 SET（指定該預(yù)測(cè)），SET_IFGT 表示如果該預(yù)測(cè)的信任水平在棧中為最高，則應(yīng)該使用該水平。當(dāng)系統(tǒng)中發(fā)生某特殊事件時(shí)，例如一次任務(wù)切換，則要從棧底開(kāi)始向上重新對(duì)不同的預(yù)測(cè)進(jìn)行評(píng)估，以導(dǎo)出一個(gè)唯一的總體性能預(yù)測(cè)。