嵌入式系統(tǒng)的動態(tài)電源管理架構(gòu)

    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(chǔ)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(gòu)。利用這種構(gòu)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(gòu)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。

    關(guān)鍵詞：動態(tài)電源管理（DPM） 功率監(jiān)控 實時嵌入式操作系統(tǒng)

1 簡介

隨著系統(tǒng)集成技術(shù)和無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的應用日趨網(wǎng)絡(luò)化。尤其是無線通信系統(tǒng)中，人們對嵌入式設(shè)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(lǐng)域，低功耗硬件電路的設(shè)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(shè)計技術(shù)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(guān)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。可以在滿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(wù)的工作負荷急劇增加和外設(shè)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(wù)的運行，可以收集任務(wù)相關(guān)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(shù)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(gòu)架。

2 DPM構(gòu)架需求

DPM構(gòu)架是結(jié)構(gòu)化的規(guī)則和機制來整合系統(tǒng)不同組件的DPM技術(shù)或者相關(guān)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(gòu)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(gòu)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(gòu)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(shè)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(wù)和功能監(jiān)控任務(wù)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(wù)的功率監(jiān)控是非常困難的；只有少數(shù)關(guān)鍵程序，由嵌入式系統(tǒng)的設(shè)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(wù)的電源管理。

④DPM對外設(shè)管理應具有透明性。外設(shè)狀態(tài)的變化應該做到和上層應用的DPM策略無關(guān)，不會因為外設(shè)狀態(tài)的變化，而影響上層所采用的DPM策略的變化。

⑤DPM構(gòu)架應支持硬件提供的電源管理機制和技術(shù)。比如DVS、DFS，系統(tǒng)的不同電源模式（活動、睡眠、冬眼），外設(shè)的時鐘管理，外設(shè)的自動睡眠技術(shù)等等。

3 DPM構(gòu)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(gòu)卻可以對設(shè)備和設(shè)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(jié)構(gòu)。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(guān)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(shè)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(guān)聯(lián)的能耗等級。操作點由系統(tǒng)的設(shè)計者定義，在定義的時候必須注意到參數(shù)間的相關(guān)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(shè)備管理中詳細描述。在策略框架結(jié)構(gòu)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(guān)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(guān)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(guān)系是一對多的關(guān)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(wù)，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(wù)的透明性，通過設(shè)置操作狀態(tài)來間接指定操作點，體現(xiàn)了DPM構(gòu)架的靈活性。為了滿足這樣的需求，DPM構(gòu)架中引入了“任務(wù)狀態(tài)（task state）”的概念。對于功率監(jiān)控的任務(wù)來說，可以在自己的代碼空間中，根據(jù)任務(wù)本身的運行狀況設(shè)置該任務(wù)自己的任務(wù)狀態(tài)，而任務(wù)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(wù)上下文調(diào)度切換的時候，根據(jù)任務(wù)狀態(tài)，直接調(diào)用DPM的相關(guān)例程，應用新的操作狀態(tài)；對于普通的任務(wù)，在“任務(wù)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(wù)狀態(tài)，即不改變系統(tǒng)當前的操作點．那么，該任務(wù)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(wù)和功率監(jiān)控任務(wù)，在上下文切換設(shè)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(wù)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(wù)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(wù)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(wù)－、任務(wù)＋、任務(wù)、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(wù)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(shè)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(shè)計者來定義和實現(xiàn)。

（４）設(shè)備管理和同等操作點類

在ＤＰＭ架構(gòu)中，策略管理者不會直接對設(shè)備的狀態(tài)進行管理，而是通過底層的設(shè)備驅(qū)動來管理設(shè)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(shè)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(shè)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　ＤＰＭ模塊實現(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　ＯＭＡＰ１６１２的ＴＤＳＣＤＭＡ無線終端參考設(shè)計（３２ＭＢ?。模模遥粒?，１７６×２２０　１６bpp TFT液晶顯示屏，ＵＳＢ和其它外設(shè)）。圖２是整合ＤＰＭ的操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

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(wù)的工作負荷，并設(shè)置與之相對應的操作狀態(tài)。其它四個模塊分別對構(gòu)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(jié)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(guān)閉ＡＲＭ、ＤＳＰ和所有設(shè)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(gòu)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(shù)、應用程序優(yōu)化技術(shù)以及高粒度時鐘門控和電壓門控技術(shù)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(shù)繼續(xù)開發(fā)和改進ＤＰＭ架構(gòu)和實現(xiàn)，正是今后研究的方向和重點。