嵌入式系统的能耗动态管理方案

艺技术的变数很多，如不同内核、不同晶圆、不同批量甚至不同代工厂都各不相同。为了保证高的产量，这些保护带（guard-b ands）可以相当宽，从而对总体功耗有显著的影响。

　　可以用大量的特性来构建一个频率与电压对照表，以确保在所有工作条件下都能满足性能要求。然后把一个确定的电压／速度集合以硬编码方式写到芯片中。在实际工作中，SoC 上定制的软件驱动通过一个专门的硬件接口来设定所需电压级别。在改变时钟频率前，必须通过一个定时器或其它方法来检查稳定电压状态（VDD_OK）。

　　自适应电压调整（AVS）方法是一种闭环控制技术，它比 DVS 有明显的改进。AVS 采用固有的对工艺与温度变化的补偿，简化了电压调整的方法，不再需要频率／电压表。这种技术的实现需要与嵌入式处理器协同使用几个硬件性能监控器，由它们接收从性能设定算法送来的更改性能级别的请求。这些性能监控器可以准确地监控内核内外的工艺与温度变化情况，并且通过标准接口与外部的能量管理单元（EMU）进行通信。

　　ARM国家半导体能量管理解决方案ARM公司一直在研究一种对性能调整硬件进行智能控制的解决方案。美国国家半导体公司则一直在研究一种智能控制供电电压、简化 DVS 方法以及通过 AVS 减小安全裕度的解决方案。两家公司现在已经可以给电池供电设备的开发商提供一种端到端的方案。

　　ARM 公司的 Intelligent Energy Manager（智能能量管理器，IEM）解决方案以一个软件部件为中心，即 Intelligent Energy Management 软件。IEM 软件与运行在应用软件下的操作系统（OS）相互衔接，使用从 OS 内部架构获得的参数，通过正在运行的应用程序“指导” OS 的使用。可以用一些复杂的软件算法来评价不同类型的软件活动，然后产生一个对未来性能的预测。每个预测结果用一个评测栈来加总，以确定出一个总体的性能预测。

　　策略栈的工作情况显示在图 4 中。每个算法都把自己的预测作为一种性能级别 （PeRF.）送进栈中，每个预测都有一个相关的指令指出当前预测的权重，如果信任水平为低则 IGNORE（放弃该预测），如果为高则 SET（指定该预测），SET_IFGT 表示如果该预测的信任水平在栈中为最高，则应该使用该水平。当系统中发生某特殊事件时，例如一次任务切换，则要从栈底开始向上重新对不同的预测进行评估，以导出一个唯一的总体性能预测。

　　与 IEM 软件一起联合工作的是 Intelligent Energy Controller（智能能量控制器，IEC）部件。IEC 是一个 APB 外设，它可以快速地集成到任何基于 AMBA 规范的 SoC 设计中。IEC 使用精密计数器和定时器测出当前的系统性能水平，并将其送给软件，以确保处理器的性能永远能够满足软件工作负荷的最低要求。它还将大部分软件测量活动下载给硬件，从而减少了处理器上 IEM 软件的开销。

　　IEC 部件还提供一个对性能调整硬件的抽象。从软件的角度看，当工作负载变化而且预测被修改时，才向 IEC 提交一个新的性能级别请求。这种性能级别的实现则用抽象方法对软件进行隐藏。ARM 的 IEM 软件部件优化功耗的性能设定算法是基于工作负荷的差异，与之类似，国家半导体的PowerWise 技术也根据当时的环境状况以及各器件间的工艺差异，通过调整运行参数来确保处理器不会在最差的情况下工作。

　　国家半导体用于自适应电压调整或动态电压调整的 PowerWise 技术的核心是一个低门数、综合的数字部件，名叫 Adaptive Power CONtroller（自适应功率控制器，APC）。APC 包括硬件性能监控器，它可以准确地监控处理器的功耗，跟踪温度以及不同器件工艺的变化。APC 与片外能量管理单元（EMU）的通信通过一个双线、双向总线进行，这个总线叫 PowerWise 接口（PWI）。

　　图 5 显示了完整的端到端参考解决方案，它使用了 ARM 公司的 IEM 和 IEC 部件，以及国家半导体公司的 APC 和 EMU 部件。

　　由 ARM 的 IEM 预测出的总体性能级别通过 IEM 硬件部分的抽象层传送给 APC。APC 自适应地调整供电电压，以覆盖内核工艺和当时的运行条件，满足特定的性能要求。

　　在设计时 IEC 可以配置为连接到片上特别设计的时钟管理单元（CMU）和 APC 部件。CMU 负责为处理器提供与所需性能级别相适应的时钟频率。APC 负责管理片外 EMU，为处理器内核提供能满足所需性能级别的最低电压，同时还要考虑当前内核工艺与温度状况。由 IEC 部件来协调管理时钟频率与电压的变化，以保证任何时候两者的组合都是有效的，并且不同性能级别之间的转换要顺利，而且在时钟产生方案与外部 EMU 的限制下转换要尽可能快。

能量管理的最大限度ARM 与国家半导体开发