嵌入式系统降低功耗的方法研究

引 言
    随着嵌入式系统应用的迅速发展，PDA和移动电话等便携式装置深入到生产生活的各个角落，嵌入式系统市场有迅速增长趋势。嵌入式系统一般是由电池来供给电 能的，而且大多数嵌入式设备都有体积和重量的约束。减少电能消耗不仅能延长电池的寿命，缩短用户更换电池的周期，而且能提高系统性能与减小系统开销，甚至 能起到保护环境的作用。

2 嵌入式系统低功耗设计
    低功耗设计是一个复杂的综合性课题。就流程而言，包括功耗建模、评估以及优化等；就设计抽象层次而言，包括自硬件底层至应用程序层的所有抽象层次，而目前 低功耗设计大都在操作系统层实施，如图2所示。同时，功耗优化与系统速度和面积等指标的优化密切相关，需要折中考虑。下面根据各部分在嵌入式系统中的不同 层次，讨论常用的低功耗设计技术及具体应用。

2．1 低功耗硬件设计
    低功耗硬件设计是嵌入式系统降低功耗的重要内容。因此，需要从系统内部结构设计、系统时钟设计和低功耗模式等几方面采用特定的方法(例如，门控时钟和可变 频率时钟、并行结构与流水线技术、低功耗单元库、低功耗状态机编码、Cache低功耗设计等)来实现系统硬件节能设计。下面介绍门控时钟和可变频率时钟的 应用。时钟是惟一在所有时间都充放电的信 ，而且很多情况下引起不必要的门的翻转，因此降低时钟的开关活动性将对降低整个系统的功耗产生很大的影响。门控 时钟包括门控逻辑模块时钟和门控寄存器时钟。门控逻辑模块时钟对时钟 络进行划分，如果在当前的时钟周期内，系统没有用到某些逻辑模块，则暂时切断这些模 块的时钟信 ，从而显著降低开关功耗。图3为采用“与”门实现的时钟控制电路。门控寄存器时钟的原理是当寄存器保持数据时，关闭寄存器时钟，以降低功耗。 门控时钟易引起毛刺，必须对信 的时序加以严格限制，并对其进行仔细的时序验证。

2．2．2 功耗调度模块
    功耗调度模块实现的关键技术在嵌入式Linux操作系统中有具体体现。在Linux操作系统中，任务的调度主要由进程调度(或任务调度)模块 schedule()完成。schedule()掌握系统内所有进程的运行状态，并对其执行的优先级进行管理调度。因此，系统级实现功耗控制，需要对嵌入 式Linux内核的schedule()模块全面改写，将DPM和DVS策略加入其中。设计思路为：由于Linux内核提供的 cpu_usage_stat结构记录了处理器运行时间的分配情况，可以通过读取这些参数计算出当前系统的运行比例，即通过cpu_scan函数来实现具 体的操作。cpu_scan函数是处理器设备驱动的主要部分，它在固定的时间片内调用，时间片的大小可以根据需要在5～1D0 ms之间选取。该函数通过调用cpu_dvs函数和cpu_dmp函数来评估系统的状态，这两个函数分别是可变电压技术和动态功耗管理的实现。
    (1)DPM策略
    DPM策略在低功耗嵌入式Linux系统的实现上分为观测器和控制器两部分，如图5所示。我们在实现过程中采用了Timeout算法。该算法实现简单，预 测准确性也较高。统计表明，只要合理地设计Timeout，这种假设的可信度为95％。采用了Timeout算法的cpu_dmp函数在此不再具体解释。 但在动态电源管理实现过程中容易出现一个唤醒信 发送给一个等待队列中的进程后，该进程不能够立即被调度执行，从而造成事件丢失的情况。为了避免这种情况 的出现，Llow被设置成比Lmax稍小的值。当事件数量到达Llow时，即使事件处理进程被唤醒后不能马上转入执行，由于Llow

    更新事件列表算法代码如下：

    显式资源需要对驱动程序作一些修改，即在驱动程序发送执行命令前和硬件完成服务并通过驱动程序告诉内核设备就绪后这两个时间点，插入一个NotifyEvent()函数调用。具体的代码插入点根据不同类型的设备和对服务开始与结束的不同定义而不同。
    根据观测器得到的系统资源访问历史记录计算出优化策略之后，控制模块将在通过电源管理机发出控制命令给相应的硬件完成服务，并通过驱动程序告诉内核设备就绪后这两个时间点插入一个NotifyEvent()函数调用。
    (2)DVS策略
    目前，嵌入式系统降低功耗多采用动态电压缩放技术Ⅲ，即系统运行时可以通过设置可编频率寄存器控制处理器的工作频率。实验观察发现，系统的运行负荷具有明 显的非平稳特性，短时间内可能具有很高的执行负荷，但绝大部分时间维持轻负荷状态。DVS技术根据嵌入式系统这一特点，在系统负荷较重时将处理器设置为最 高执行速度，以保证系统的计算能力；而在系统负荷较轻时动态降低处理器的工作频率，以降低处理器的执行功耗，从而实现系统计算性能与功耗的优化控制，如图 6所示。DVS的预测通过采用了基于时间间隔AVGn算法的cpu_dvs函数实现。该函数读取CPU使用信息，按照AVGn算法来估算系统的运行负荷， 并根据返回给cpu_scan函数的结果实现具体的动态电压缩放。

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