嵌入式手持信息終端處理器的實時低功耗策略研究.pdf

1、因為移動計算設備系統(tǒng)服務的時間取決于電池容量,所以其日益普及使得電源管理變得愈發(fā)重要。近年來,很多研究學者致力于動態(tài)電壓調(diào)節(jié)(Dynamic Voltage Scaling,DVS)研究,使處理器盡可能在一個較低的頻率和較低的電壓上運行,從而降低系統(tǒng)功耗。在CMOS電路中,由電路消耗的能量正比于頻率的平方(Eαf2),因此處理器可以通過降低頻率節(jié)省大量功耗。對于實時系統(tǒng)而言,傳統(tǒng)的DVS算法不能直接嵌入到操作系統(tǒng)的調(diào)度器中,因為DVS算

2、法會改變處理器的頻率,影響任務的運行時間,如果任務的運行時間超過其截止時間,就無法滿足系統(tǒng)實時性的要求。為了保證系統(tǒng)的實時性,DVS算法假定每個任務的負載為最壞情況下的負載,但實際情況中,任務的負載展現(xiàn)了巨大的差異。對于實時系統(tǒng),DVS研究可以分為兩大類,任務間(Inter-task)DVS研究和任務內(nèi)(Intra-task)DVS研究。任務問DVS考慮如何在任務的邊界處切換處理器的工作頻率和電壓,主要依據(jù)是如何估計空閑時間,分為保守型

3、和貪婪型兩大類;任務內(nèi)DVS研究則考慮如何在單個任務的邊界內(nèi)調(diào)整處理器的頻率和電壓,主要基于任務負載的概率分布預測。本文的研究重點是,在任務間DVS算法中,通過合理分配空閑時間來降低動態(tài)功耗,在任務內(nèi)DVS算法中,讓處理器的頻率調(diào)節(jié)自適應系統(tǒng)負載從而降低動態(tài)功耗。
　　 對于保守型任務間DVS研究,本文提出了增強型空閑時間回收算法。與其他空閑時間回收算法相比,這種算法不僅可以回收因優(yōu)先級較高的任務提前結束而剩余的空閑時間,也能回

4、收優(yōu)先級較低的任務剩余的空閑時間,較好的解決了回收空閑時間后有可能使即將運行的任務的結束時間超過其截止時間的問題,在降低功耗的同時保證了系統(tǒng)的實時性。對于貪婪型空閑時間回收算法,本文改進了貪婪型空閑時間回收算法,這種算法可以調(diào)節(jié)貪婪型空閑時間回收算法的貪婪程度,在空閑時間的保守性和貪婪性之間取得一個平衡,盡可能使處理器的頻率保持在一個穩(wěn)定的水平,以減少動態(tài)功耗。為了更好的評估本文提出的算法,本文對SimDVS仿真平臺作了改進,以更好地將

5、這兩種算法嵌入到SimDVS平臺,仿真實驗結果表明與其他保守型空閑時間回收算法相比,增強型空閑時間同收算法的動態(tài)功耗至少可以降低20％,與其他貪婪型空閑時間回收算法相比,合理地設置貪婪系數(shù),改進的貪婪犁空閑時間同收算法的動態(tài)功耗至少可以降低20%。
　　 對于任務內(nèi)DVS研究,本文提出了系統(tǒng)負載自適應算法。傳統(tǒng)的任務內(nèi)DVS算法都是根據(jù)任務的負載概率分布在任務內(nèi)進行頻率調(diào)節(jié),以達到每個任務的動態(tài)功耗期望最小。每個任務被指定在最壞

6、情況下的工作要求,因而當任務提前結束時還會留下空閑時間。本文創(chuàng)新地提出根據(jù)系統(tǒng)負載的概率分布來調(diào)節(jié)處理器的頻率。系統(tǒng)負載為當前正在運行的任務和在等待隊列中的任務的負載總和,系統(tǒng)負載的概率分布為這些任務的負載分布之卷積。系統(tǒng)負載自適應算法不僅考慮到任務內(nèi)負載的概率分布,還考慮到任務與任務之間概率分布的耦合性,從全局的角度能更加精確地調(diào)節(jié)處理器的頻率,進一步降低動態(tài)功耗。仿真實驗結果表明,與其他任務內(nèi)DVS算法相比,系統(tǒng)負載自適應算法可以減

7、少至少20%的功耗。
　　 本文采用Marvell PXA270開發(fā)平臺,開發(fā)基于截止時間優(yōu)先(Earliest Deadline First,EDF)調(diào)度策略的嵌入式操作系統(tǒng),結合增強型空閑時間回收算法和系統(tǒng)負載自適應算法,通過變換各種不同的實驗環(huán)境,與高級配置和電源接口(Advanced Configuration and Power Interface,ACPF)DVS算法、其他任務間DVS算法和任務內(nèi)DVS算法進行比較,