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嵌入式系統動態電壓調節設計技術

作者: 時間:2009-02-26 來源:網絡 收藏

3.2 DVS策略模型
本文通過對一組任務的調度過程來闡述DVS策略模型。假設某個處理器的工作能夠在一定范圍內連續,且內核程序需要處理5個相互獨立的任務Ta、Tb、Tc、Td、Te,其中Ta、Tb是周期性的任務,另外3個任務則是間發性的,如表1所列,其中的時間均為相對時間。Ta、Tb的截止期限與它們的周期有關。每個任務在到達之后可以立即被執行或者延遲執行,但是都必須在各自的截止期限到來之前執行完畢。

本文引用地址:http://www.j9360.com/article/152637.htm

假設最大的可供為3.3 V,在該下的功耗被標準化為1W。由CMOS器件特性可知,供給電壓的降低將會導致電路延遲的增加。電路延遲更精確的表達式為:


式中k是常數,Vdd為工作電壓,Vt為門檻電壓。
假設Vt的典型值為O.8 V。顯然,當沒有應用任何功耗降低時,的功耗為1W。在對DVS調度進行說明的過程中,將其與DPM策略中的預測關閉進行了比較。當使用預測關閉技術時,假設完全預知工作負載的空閑時段,即處理器一旦進入空閑狀態就立即將其關閉,從而使得該技術能夠對系統功耗達到最大程度的優化。DVS策略應用的最終目的在于滿足各個任務截止期限的同時使得系統功耗最小化。任務調度過程采用了EDF(Earliest Deadline First)調度機制。
如圖1(a)所示,在系統預測關閉技術下,系統的工作電壓一直為3.3 V。所有任務在[O,4]、[5,13]時間段內執行完畢,而處理器在[4,5]、[13,20]時間段內將被關閉,然后再為下一個周期性任務提供服務。處理器占空比是60%,因此平均功耗為0.6W。而在DVS應用過程中,如圖1(b)所示,系統的平均功耗為O.38W,該值比預測關閉技術又降低了(O.6-O.38)/O.6=37%。

O.38W只是在不知道間發性任務(即Tc、Td、Te)到達時間的情況下所能達到的最小功耗值。如果能夠完全知道間發性任務的到達時間,則DVS最優策略就能夠使處理器在所有時間內都維持在一個最低的電壓水平,同時保證所有任務都滿足截止期限的要求。在圖1(b)中,如果系統能夠預知Tc、Td、Te的到達時間,則[0,20]時間段內的最優電壓為2.48 V,該電壓值所對應的處理器速度為最大速度的60%(即[3.3/(3.3―0.8)2]/[2.48/(2.48―0.8)2]),該運行速度也導致系統的平均功耗降為0.34W。顯然,這個功耗平均值也對應著在不知道間發性任務到達時間的情況下系統功耗所能達到的最小邊界值。
3.3 DVS與DPM的比較
通過對DVS、DPM的基本原理以及策略模型的闡述可以看出,DVS與DPM原理之間有著明顯的區別,但同時也存在著一致性。
DVS與DPM的區別在于:
①DVS在運行過程中根據工作負載的應用需求(即任務完成時間)來設備(以處理器為主)的工作電壓,而DPM原理則是根據工作負載的有無來設置設備工作模式。
②在DVS中,設備的工作電壓是可變的,因此需要穩定的DC―DC電壓轉換電路;而在DPM中,設備的工作電壓處于恒定狀態。
③DVS一般應用于對任務執行時間要求比較嚴格的實時應用系統中,它能夠很好地解決實時系統中性能與功耗的要求。而DPM由于內在的概率特性以及非確定性,不適用于實時系統,一般應用于非實時系統。
DVS與DPM之間的一致性體現在:如果將設備工作電壓的連續變化(或者離散變化)也看成是工作模式的變換,那么就可以將DVS包含在DPM的范疇之內。從該意義上來說,DVS延伸了有效工作狀態的定義,即包括多個連續或者分散電壓值,這樣在運行期間就出現了若干個能夠在性能和功耗之間取得平衡的工作狀態。通過這種方法,PM在系統有負載時就可以使用DVS,而系統處于空閑時則將器件轉移到低功耗狀態(DPM應用),這樣就能同時控制性能和功耗水平,從而得到更大的功耗節省。
通過上述比較分析可以看出,DPM與DVS兩者之間既存在著差異性,同時也保持著一致性,應該根據系統特點來合理選擇應用DPM與DVS。但是,當DPM和DVS對某個系統都適用時,應優先考慮DVS,因為其能夠帶來更多的能耗節省。


結 語
以往的系統主要涉及功能、穩定性、和生產費用等,系統功耗相對來說是一個比較新的考慮因素。降低功耗主要是基于延長手持設備中電池的壽命、降低芯片封裝和冷卻費用、提高系統穩定性和減小環境影響等方面的考慮,其重要性隨著手持設備的普及而越來越突出。
盡管DPM和DVS技術在過去十幾年里都取得了很大的進步,但在系統低功耗設計領域中有關最優化設計和分析的研究空間仍然很大。例如,與電池相關的DVS策略還需要進一步的研究。眾所周知,在電池供電系統中如果降低系統的工作電流或者工作電壓,將會導致電池容量的增加,這種現象在電壓的過程中應該加以利用。

linux操作系統文章專題:linux操作系統詳解(linux不再難懂)

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