嵌入式系统动态电压调节设计技术
时间：10-11
来源：互联网
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2 静态与动态低功耗设计
在系统级，有4种主要的能量消耗源：处理单元、存储单元、显示单元、内部连接和通信单元。能量高效的系统层设计在保证各个单元交互效应达到平衡的同时，还必须使这4种类型单元的能耗最小化。
从总体上讲，功耗降低技术在嵌入式系统范畴内可以分为两大类：静态技术和动态技术。静态技术主要在系统初始设计过程中使用，其假设系统的功能定义和工作模式已知，而且将来也不会改变。在嵌入式系统软硬件设计的初期阶段，已经使用到了一些静态低功耗降低技术。例如，通过软件优化编译技术来优化所使用的指令代码，从而影响到运行程序的能耗；代码存储器和内存中的数据存取方式将影响到处理器和存储单元之间的能量平衡；数据表达方式也将影响到通信资源的功耗。另外，在参考文献中也已经提出了一些静态功耗管理策略。在参考文献中，针对采用EDF调度方法的实时系统提出了一种寻找最优电压调度的静态方法；在参考文献中，作者研究了一个更为通用的处理器模型，该静态方法使得在某些非常特殊的情况下能够达到能耗的最优化；在参考文献中，低能耗非抢占式调度问题被建模成一个整数线性问题，该系统包含一组具有相同到达时间和任务执行期限，但是上下文切换代价不同的任务。
与静态技术相对应，动态技术则是系统在运行阶段充分利用工作负载的变化性来动态改变设备工作模式，从而达到降低系统功耗的目的。动态技术本质上是一个系统级的设计方法，其最关键之处在于功耗管理(Power Man—agement，PM)单元：PM单元监控整个系统的工作状态，当发现系统处于欠负载或者无负载状态时，就发送命令来控制目标设备的工作模式。而嵌入式系统的组成和应用特性也为动态的低功耗策略设计与应用提供了可能。
很明显，静态功耗降低技术只需在设计阶段使用一次，在运行过程中不能根据工作负载的变化而灵活处理；动态低功耗技术在运行过程中则能够很好地自适应于工作负载变化情况，更易于执行和应用。另外，随着系统功能增强和集成度的提高，静态技术已经不能完全满足系统对功耗的要求。尽管静态技术在一定程度上能够带来能量节省，但是最近的研究都着重于动态领域的低功耗设计技术，后者通常利用底层的硬件特性来获取有效的能量节省，现已成为嵌入式系统领域中降低功耗的重要手段。
3 DVS设计技术研究
3．1 DVS基本原理
随着商用CMOS芯片电源供给技术的发展，处理器内核的工作电压在运行期间进行实时调节成为可能；而高效DC-DC电压转换器的出现也为处理器内核工作电压的动态调节提供了条件。另外在软实时系统中，任务只需在规定的截止时间之前执行完毕就能达到系统的性能要求，不要求立即得到系统的响应。DVS技术就是根据任务的紧迫程度来动态调节处理器运行电压，以达到任务响应时间和系统低能耗之间的平衡。
DPM技术对非实时系统而言，能够显著节省能量。但是由于DPM内在的概率特性以及非确定性，不适用于实时系统。DVS技术却能够很好地解决嵌入式实时系统中的性能与功耗要求，根据当前运行任务的性能需求来实时调节处理器工作电压。DVS技术主要基于这样一个事实，即处理器的能量消耗与工作电压的平方成正比关系。如果只对处理器的频率进行调节，则所能节省的能量将很有限，这是因为功耗与周期时间成反比，而能耗又与执行时间和功耗成正比。早期DVS原理基于处理器的利用率来设置其速度，并没有考虑到运行任务的不同需求。现在已经针对实时系统提出了一些电压调节策略。例如，参考文献针对电压可连续变化以及离散变化的处理器进行了讨论：为了降低电压可连续变化处理器的功耗，需要为每个任务找到一个具体的电压，从而将整个执行时间延长到对应的截止期限(deadline)；对电压离散变化的处理器来说，则至少需要为每个任务找到两个执行电压。参考文献则考虑了将周期性和非周期性任务进行联合在线调度的问题。该原理能够保证满足所有周期性任务的截止期限，并使得所接受的非周期性任务数目最大化。另外，在参考文献中还针对分布式系统进行了讨论。
3．2 DVS策略模型
本文通过对一组任务的调度过程来阐述DVS策略模型。假设某个嵌入式处理器的工作电压能够在一定范围内连续调节，且内核程序需要处理5个相互独立的任务Ta、Tb、Tc、Td、Te，其中Ta、Tb是周期性的任务，另外3个任务则是间发性的，如表1所列，其中的时间均为相对时间。Ta、Tb的截止期限与它们的周期有关。每个任务在到达之后可以立即被执行或者延迟执行，但是都必须在各自的截止期限到来之前执行完毕。
假设系统最大的可供电压为3．3 V，在该电压下的功耗被标准化为1W。由CMOS器件特性可知，供给电压的降低将会导致电路延迟的增加。电路延迟更精确的表达式为：
在系统级，有4种主要的能量消耗源：处理单元、存储单元、显示单元、内部连接和通信单元。能量高效的系统层设计在保证各个单元交互效应达到平衡的同时，还必须使这4种类型单元的能耗最小化。
从总体上讲，功耗降低技术在嵌入式系统范畴内可以分为两大类：静态技术和动态技术。静态技术主要在系统初始设计过程中使用，其假设系统的功能定义和工作模式已知，而且将来也不会改变。在嵌入式系统软硬件设计的初期阶段，已经使用到了一些静态低功耗降低技术。例如，通过软件优化编译技术来优化所使用的指令代码，从而影响到运行程序的能耗；代码存储器和内存中的数据存取方式将影响到处理器和存储单元之间的能量平衡；数据表达方式也将影响到通信资源的功耗。另外，在参考文献中也已经提出了一些静态功耗管理策略。在参考文献中，针对采用EDF调度方法的实时系统提出了一种寻找最优电压调度的静态方法；在参考文献中，作者研究了一个更为通用的处理器模型，该静态方法使得在某些非常特殊的情况下能够达到能耗的最优化；在参考文献中，低能耗非抢占式调度问题被建模成一个整数线性问题，该系统包含一组具有相同到达时间和任务执行期限，但是上下文切换代价不同的任务。
与静态技术相对应，动态技术则是系统在运行阶段充分利用工作负载的变化性来动态改变设备工作模式，从而达到降低系统功耗的目的。动态技术本质上是一个系统级的设计方法，其最关键之处在于功耗管理(Power Man—agement，PM)单元：PM单元监控整个系统的工作状态，当发现系统处于欠负载或者无负载状态时，就发送命令来控制目标设备的工作模式。而嵌入式系统的组成和应用特性也为动态的低功耗策略设计与应用提供了可能。
很明显，静态功耗降低技术只需在设计阶段使用一次，在运行过程中不能根据工作负载的变化而灵活处理；动态低功耗技术在运行过程中则能够很好地自适应于工作负载变化情况，更易于执行和应用。另外，随着系统功能增强和集成度的提高，静态技术已经不能完全满足系统对功耗的要求。尽管静态技术在一定程度上能够带来能量节省，但是最近的研究都着重于动态领域的低功耗设计技术，后者通常利用底层的硬件特性来获取有效的能量节省，现已成为嵌入式系统领域中降低功耗的重要手段。
3 DVS设计技术研究
3．1 DVS基本原理
随着商用CMOS芯片电源供给技术的发展，处理器内核的工作电压在运行期间进行实时调节成为可能；而高效DC-DC电压转换器的出现也为处理器内核工作电压的动态调节提供了条件。另外在软实时系统中，任务只需在规定的截止时间之前执行完毕就能达到系统的性能要求，不要求立即得到系统的响应。DVS技术就是根据任务的紧迫程度来动态调节处理器运行电压，以达到任务响应时间和系统低能耗之间的平衡。
DPM技术对非实时系统而言，能够显著节省能量。但是由于DPM内在的概率特性以及非确定性，不适用于实时系统。DVS技术却能够很好地解决嵌入式实时系统中的性能与功耗要求，根据当前运行任务的性能需求来实时调节处理器工作电压。DVS技术主要基于这样一个事实，即处理器的能量消耗与工作电压的平方成正比关系。如果只对处理器的频率进行调节，则所能节省的能量将很有限，这是因为功耗与周期时间成反比，而能耗又与执行时间和功耗成正比。早期DVS原理基于处理器的利用率来设置其速度，并没有考虑到运行任务的不同需求。现在已经针对实时系统提出了一些电压调节策略。例如，参考文献针对电压可连续变化以及离散变化的处理器进行了讨论：为了降低电压可连续变化处理器的功耗，需要为每个任务找到一个具体的电压，从而将整个执行时间延长到对应的截止期限(deadline)；对电压离散变化的处理器来说，则至少需要为每个任务找到两个执行电压。参考文献则考虑了将周期性和非周期性任务进行联合在线调度的问题。该原理能够保证满足所有周期性任务的截止期限，并使得所接受的非周期性任务数目最大化。另外，在参考文献中还针对分布式系统进行了讨论。
3．2 DVS策略模型
本文通过对一组任务的调度过程来阐述DVS策略模型。假设某个嵌入式处理器的工作电压能够在一定范围内连续调节，且内核程序需要处理5个相互独立的任务Ta、Tb、Tc、Td、Te，其中Ta、Tb是周期性的任务，另外3个任务则是间发性的，如表1所列，其中的时间均为相对时间。Ta、Tb的截止期限与它们的周期有关。每个任务在到达之后可以立即被执行或者延迟执行，但是都必须在各自的截止期限到来之前执行完毕。
假设系统最大的可供电压为3．3 V，在该电压下的功耗被标准化为1W。由CMOS器件特性可知，供给电压的降低将会导致电路延迟的增加。电路延迟更精确的表达式为：
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