嵌入式系统动态电源管理技术研究

　　式(1)成立的前提条件是在(Ton，off+Toff，on)时间段内所消耗的能量大于Normal工作模式下的能量消耗；如果该前提条件不成立，就不会存在Ttarde-off，则TBE，S=Ton，off+Toff，on。
假设设备处于Idle状态下的空闲时间为Tidle(Tidle>TBE，S)，则进入Sleep工作模式后所能节省的能量，记为 ES(Tidle)，可表示成：

　　其中，F代表Tidle的概率分布，Tavgidle〉TBE，S表示大于TBE．S的空闲时段平均长度。通过式(7)可以看出，功耗节省值Psaved，S与TBE，S一直成反比的关系：当TBE，S=O时，Psaved，s具有最大值；当TBE，S越来越大时，Psaved，S则渐近于O。

　　2 DPM策略模型

　　在DPM策略范畴内，系统模型由两个部分组成：一组相互作用的功耗可管理器件(Power Manageable Com-ponent，PMC)和功耗管理(Power Management，PM)。其中，PMC的工作模式由PM来控制。对于PMC，我们并不需要关心其内部实现细节，而是将它们看作黑箱，这样就可以更专注于研究PMC和周围环境的相互关系--即为了实现高效的动态低功耗管理策略，PMC与PM之间需要传递什么类型的信息以及信息量的大小。

　　2．1 PMC模型

　　在DPM中，PMC定义为完整系统中的一个原子模块。该定义具有一般性及抽象性，设备可以简单到芯片内部的一个功能模块，或者复杂到一个开发板。PMC的基本特征是具有多个工作模式，而且这些工作模式都对应不同的功耗和性能水平。一般情况下，功耗不可管理器件的性能和功耗存系统设计以及应用过程中都是不变的；相应地，基于PMC就可以在高性能、高功耗的工作模式与低功耗、低性能的工作模式之间进行动态切换。

　　PMC的另外一个重要特点是，工作模式之间的切换需要付出代价。在大多数情况下，代价指延迟或者性能损失。??程中不能提供任何功能，那么无论何时开始一个模式切换都将会带来性能的损失。工作模式之间的切换过程还可能带来功耗代价，其经常出现在切换过程非瞬态的情况下。这里需要强调的足，在设计PMC的过程中不能忽略切换代价。

　　在大多数应用实例中，可以利用功耗状态机(Power State Machine，PSM)来对PMC建模。其中，"状态"是指各种不同的工作模式。由PMC的特点可知，工作模式之间的切换过程将会产生功耗和延迟代价。一般来说，工作模式的功耗越低，性能将会越低，而且切换延迟也将越长。这个简单的抽象模型适用于多个单芯片设备，例如处理器、存储器，以及硬盘驱动、无线网络接口、显示器等设备。

　　以Motorola公司的龙珠系列MC68VZ328处理器作为PMC为例，其具有三种工作模式：RUN、DOZE、SLEEP。RUN是正常工作模式，其在正常上电以及复位的情况下进入；在该状态下，所有的功能模块都处于有效状态。DOZE模式使得处理器在不使用的情况下能够通过软件控制来将其停止运行，但仍然会继续监听片上或片外中断源，即在DOZE模式下，当产生某个中断时，CPU能够快速地返回到RUN模式。SLEEP模式能够带来最大化的功耗节省，但同时具有最低层次的功能。从RUN到DOZE的切换，MC68VZ328依次关闭片上功能；而从SLEEP切换到其他任何一种状态，则都将会经历一个相当复杂的唤醒过程。

　　MC68VZ328的PSM模型如图3所示。状态通过功耗和性能来描述，工作模式的切换时间则通过边线表示。模式切换过程中的功耗接近于RUN模式。这里需要指出的是，虽然DOZE和SLEEP模式都不提供任何性能，但是退出SLEEP模式所需的时间(160 ms)比DOZE模式的退出时间(10μs)长得多，而芯片在SLEEP模式下的功耗(O．16 mW)远远小于DOZE模式下的功耗(50 mW)。

　　2．2 PM模型

　　在DPM范畴内，系统是指一组相互作用的设备，其中一些设备(至少有一个)是外部可控的PMC。该定义具有一般性，并没有给系统带来任何大小和复杂性方面的限制条件。在该系统中，设备行为由系统控制器来协调。对比较复杂的系统来说，通常基于软件来实现控制部分。例如在计算机系统中，由操作系统(Operating System，OS)来实现全局的协调工作。

　　PM根据系统设备的当前工作状态来进行实时控制，因此PM的功能在本质上是一个系统控制器。一个功耗可管理的系统必须向PM提供完全抽象的设备信息；而为了缩减设计时间，PM和系统之间的接口标准化也是一个重要特征。

　　DPM策略的选择和实现需要同时对设备的功耗／性能特征，以及目标设备上的工作负载进行建模。其中，前者可以通过功耗状态机很好地实现，而工作负载模型的复杂程度则可能相差很大。对所有高级的PM方法而言，都必须获得工作负载的信息。因此，在PM模型中需要系统监控模型，能够实时收集工作负载的数据信息并为PM驱动提供相关信息。系统层PM的抽象结构如图4所示，其中OBSERVER模块负责收集系统中所有PMC的工作负载信息，而CONTROLLER则负责发送工作模式切换的命令。