基于嵌入式Linux的智能手機(jī)省電設(shè)計(jì)
引言
智能手機(jī)中包含了很多耗能設(shè)備, 諸如MP3、MPEG- 4、Wi-Fi、數(shù)碼相機(jī)、3D 游戲等等。在手機(jī)電池容量還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)質(zhì)的飛躍的前提下, 我們不得不考慮手機(jī)電源節(jié)能的問(wèn)題。我主要通過(guò)了以下四個(gè)方面來(lái)闡述在基于Linux平臺(tái)上的智能手機(jī)的解決方案。
CPU 的選擇
盡管現(xiàn)在有了各種在不過(guò)多加重功耗負(fù)擔(dān)的前提下提高性能的技術(shù), 但用一個(gè)芯片來(lái)處理這么多各種各樣的任務(wù), 恐怕已經(jīng)不是一個(gè)很好的選擇了。一是因?yàn)檫@些功能對(duì)芯片處理功能的要求可能各不相同, 二是因?yàn)橐粋€(gè)負(fù)擔(dān)著如此眾多任務(wù)的芯片勢(shì)必需要很高的速度, 降低功耗變得很困難。
在這種情況下, 多CPU 系統(tǒng)(MPCore)成為一個(gè)必然的趨勢(shì)。多CPU 系統(tǒng)的一個(gè)明顯的優(yōu)勢(shì)是: 針對(duì)不同的任務(wù)處理需要, 不同的CPU 可以各盡其職, 將自身的優(yōu)勢(shì)充分發(fā)揮, 由此帶給手機(jī)最優(yōu)化的性能表現(xiàn)。另一個(gè)優(yōu)勢(shì)顯然還是體現(xiàn)在對(duì)功耗的控制上: 假如用單CPU 來(lái)完成所有的功能, 不可避免地需要一個(gè)很高的CPU 速度, 從而造成很高的功耗。用一顆高速CPU 來(lái)完成這樣的任務(wù), 無(wú)疑是大牛拉小車(chē), 同時(shí)浪費(fèi)很多能源。多CPU 系統(tǒng)可以根據(jù)不同的任務(wù)需要合理地啟動(dòng)、停止相應(yīng)的CPU 來(lái)完成任務(wù),不需要的時(shí)候處于停歇狀態(tài), 實(shí)現(xiàn)最大限度地控制功耗。
既然我們選擇了多CPU 的架構(gòu), 那么接下來(lái)CPU 的性能就是我們要考慮的第二大問(wèn)題。一般的情況下, 我們是在CPU 的性能( Performance) 和功耗( Power Consumption) 方面進(jìn)行比較和選擇。通常可以采用每執(zhí)行1M次指令所消耗的能量來(lái)進(jìn)行衡量, 即Watt/MIPS。
我們把CPU 的功率消耗分為兩大部分: 內(nèi)核消耗功率PCORE和外部接口控制器消耗功率PI/O, 總的功率等于兩者之和, 即PPCORE+PI/O。對(duì)于PCORE, 關(guān)鍵在于其供電電壓和時(shí)鐘頻率的高低; 對(duì)于PI/O 來(lái)講, 除了留意各個(gè)專門(mén)I/O 控制器的功耗外, 還必須關(guān)注地址和數(shù)據(jù)總線寬度。
在數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)中, CMOS 電路的靜態(tài)功耗很低, 與其動(dòng)態(tài)功耗相比基本可以忽略不計(jì)。CMOS 電路動(dòng)態(tài)功耗的計(jì)算公式如下:
Pd=CT*V2*f, 其中Pd 是CMOS 芯片的動(dòng)態(tài)功耗, C是CMOS芯片的負(fù)載電容, V 是CMOS 芯片的工作電壓, f 是CMOS 芯片的工作頻率。
由上可見(jiàn), 當(dāng)CPU 確定后, 我可以通過(guò)降低頻率和電壓來(lái)減少系統(tǒng)的功耗。
在CPU 的選擇方面, 我們推薦采用Intel 的Xscale 芯片, 以及IBM的PowerPC405G 芯片。
動(dòng)態(tài)電源管理(DPM)
系統(tǒng)不可能始終處于滿負(fù)荷狀態(tài), 因?yàn)橄到y(tǒng)的工作量隨時(shí)都在改變。動(dòng)態(tài)電源管理(DPM) 通過(guò)選擇性的將空閑的系統(tǒng)組件置于低能耗狀態(tài)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)整體能耗的最優(yōu)化。
我們更為關(guān)注的是DPM在Linux 框架結(jié)構(gòu)下的實(shí)現(xiàn)。圖1 展示了電源管理和嵌入式Linux 堆棧之間的關(guān)系。
以下是一些于電源管理相關(guān)的接口以及API:
內(nèi)核接口。在針對(duì)Linux 的DPM 架構(gòu)中, 內(nèi)核中的DPM 子系統(tǒng)負(fù)責(zé)維持系統(tǒng)的電源狀態(tài), 并把DPM 系統(tǒng)的各個(gè)電源得到管理的元件聯(lián)系在一起。DPM 子系統(tǒng)通過(guò)多個(gè)API 直接與設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序通信, 這些API 把驅(qū)動(dòng)程序從完全運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)為各種電源得到管理的狀態(tài)。策略管理器( 或應(yīng)用軟件自身) 通過(guò)多個(gè)API向DPM 子系統(tǒng)提供指導(dǎo), 這些API 定義各種策略, 并在定義好的運(yùn)行點(diǎn)之間轉(zhuǎn)移整個(gè)系統(tǒng)。
驅(qū)動(dòng)程序接口。啟用了DPM 的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序比默認(rèn)驅(qū)動(dòng)程序具有更多“狀態(tài)”: 由外部事件通過(guò)各種狀態(tài)來(lái)驅(qū)動(dòng)它們, 或通過(guò)來(lái)自內(nèi)核DPM 子系統(tǒng)的回調(diào)來(lái)驅(qū)動(dòng)它們, 從而反映并遵循運(yùn)行策略。驅(qū)動(dòng)程序API 還允許驅(qū)動(dòng)程序登記它們連接和管理的各個(gè)設(shè)備的基本運(yùn)行特征, 從而實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的策略決策。
用戶程序API, 用戶程序( 應(yīng)用軟件) 分為三類:
(1)可感知電源管理的應(yīng)用軟件;
(2)可感知電源管理的“包裝器”中的傳統(tǒng)應(yīng)用軟件;
(3)不帶電源管理的傳統(tǒng)應(yīng)用軟件。
可感知電源管理的應(yīng)用軟件能夠充分利用來(lái)自策略管理器的API, 從而建立各自的基礎(chǔ)約束, 并強(qiáng)制電源管理策略發(fā)生變化, 以便匹配各自的執(zhí)行要求。不直接帶有電源管理功能的傳統(tǒng)應(yīng)用軟件可以“包裝”到代碼或補(bǔ)丁中, 從而實(shí)現(xiàn)相當(dāng)?shù)男Ч? 它們還可以按照默認(rèn)行為來(lái)運(yùn)行, 這取決于更寬范圍的默認(rèn)策略管理。
嵌入式LinuxDPM 下的實(shí)際機(jī)制包括各種API, 比如dpm_set_os ()( 內(nèi)核) 、assert_constraint ()、remove_constraint () 和set_operating_state () ( 內(nèi)核和驅(qū)動(dòng)程序) 、set_policy () 和set_task_state()( 經(jīng)由系統(tǒng)調(diào)用的用戶級(jí)接口) , 以及/proc 接口。
電源管理策略在系統(tǒng)電源管理中扮演了極為關(guān)鍵的角色。DPM的策略抽象模型的執(zhí)行體系類似于狀態(tài)機(jī)。在DPM中有2個(gè)概念很重要: 一個(gè)是執(zhí)行點(diǎn)(operating points), 另一個(gè)是執(zhí)行狀態(tài)( operating states) 。DPM的執(zhí)行點(diǎn)來(lái)自一些獨(dú)立的系統(tǒng)參數(shù), 包括執(zhí)行電壓, 頻率, 以及總線帶寬等等。隨著事件的改變, 系統(tǒng)的狀態(tài)也不斷的改變( 如圖2 所示) 。在DPM中, 每個(gè)系統(tǒng)狀態(tài)都是一個(gè)執(zhí)行狀態(tài), 包括空閑態(tài)、活動(dòng)態(tài)和睡眠態(tài)。
自適應(yīng)電壓調(diào)整(AVS)
在CPU 的選擇部分, 我們知道了系統(tǒng)能耗是與電壓和頻率緊密相關(guān)的?，F(xiàn)在我們來(lái)探討一下調(diào)整電壓在降低能耗方面的作用。在電壓調(diào)整方面, 自適應(yīng)電壓調(diào)整是一種很有效的方法。自適應(yīng)電壓調(diào)整AVS(Adaptive Voltage Scaling)是通過(guò)反饋機(jī)制將電源電壓調(diào)整到給定工作負(fù)載(處理量)所需的最小值。這種閉環(huán)方式可進(jìn)一步減小功耗, 但需要將部分電源管理電路置入主處理器。
成功實(shí)現(xiàn)AVS 的關(guān)鍵是在基帶芯片中集成部分系統(tǒng)電源管理電路, 即內(nèi)置AVS 控制器(圖3)。這一關(guān)鍵模塊包含專門(mén)的電路和算法, 用來(lái)確定給定處理量下的最優(yōu)電壓。通過(guò)向電壓調(diào)整器的參考端輸入饋送誤差信號(hào), 可以生成最優(yōu)的VDD, 無(wú)需提供不必要的電壓余量, 從而減少了電能損耗。對(duì)任何閉環(huán)方法來(lái)說(shuō), 環(huán)路帶寬都是很重要的。環(huán)路快速跟蹤并穩(wěn)定的能力決定了基帶電源動(dòng)態(tài)調(diào)整以自適應(yīng)工作負(fù)載突變的能力。
通過(guò)軟件方法降低設(shè)備功耗
低能耗軟件優(yōu)化對(duì)于基于處理器系統(tǒng)的應(yīng)用程序而言, 是最有發(fā)展前途的降低系統(tǒng)能耗的技術(shù)方法。這種方法對(duì)于那些計(jì)算復(fù)雜度較高的應(yīng)用程序最為有效。因?yàn)橹挥性趹?yīng)用程序執(zhí)行的時(shí)候, 才會(huì)消耗大量電源。
這項(xiàng)技術(shù)的最終目的是在執(zhí)行較為復(fù)雜的應(yīng)用程序時(shí), 盡量降低能耗。我們的程序用于降低計(jì)算的復(fù)雜度, 但不能改變程序原本的行為?，F(xiàn)在我們通過(guò)圖4(A) 中的例子, 來(lái)闡述一下一些有關(guān)軟件優(yōu)化的想法。
考慮主函數(shù)中第一次調(diào)用過(guò)程test。如果檔參數(shù)a 和差數(shù)k都是0 的概率為90%, 我們可以將源代碼改寫(xiě)為圖4(B) , 通過(guò)改寫(xiě), 我們減少了test 過(guò)程中的循環(huán)數(shù)。但在現(xiàn)實(shí)中, 參數(shù)a 和k 并不是總是為0。那么test 的過(guò)程調(diào)用不能被新的過(guò)程sp_test 所完全替代。我們用一個(gè)條件語(yǔ)句來(lái)限定過(guò)程的調(diào)用, 所有的過(guò)程調(diào)用依賴于cvd_test()的結(jié)果。當(dāng)過(guò)程cvd_test()檢測(cè)為一般情況( a,k同時(shí)為0) , 符合此條件的修正后的代碼被執(zhí)行。如果當(dāng)過(guò)程cvd_test()檢測(cè)為非一般情況( a,k 非同時(shí)為0) , 原有的代碼被執(zhí)行。在另一方面, 當(dāng)過(guò)程cvd_test()檢測(cè)為非一般情況, 我們提升了程序的計(jì)算復(fù)雜度, 也相應(yīng)提高了能耗。
一般而言, 對(duì)代碼優(yōu)化有各種各樣不同的方法。如果我不考慮參數(shù)k, 我們可以將源代碼轉(zhuǎn)化為圖4(C) 所示。a 為0 的概率大于a 和k 同時(shí)為0 的概率。在不同情況下, 對(duì)原有代碼所做的修改有不同的效果。
最后, 我們必須檢驗(yàn)修改過(guò)的代碼對(duì)原有代碼的影響, 是不是改變了原有代碼的行為, 在任何條件下我們都不能去擅自改變?cè)写a的行為。代碼質(zhì)量的提升也是相當(dāng)?shù)闹匾?。?duì)于C 語(yǔ)言來(lái)說(shuō), 將一些簡(jiǎn)單的函數(shù)轉(zhuǎn)換為宏定義時(shí)一種比較有效的方法。
綜上所述, 我們可以將一般情況下代碼優(yōu)化分為4 個(gè)步驟:
(1)一般案例的選擇。選擇最有效的、最長(zhǎng)被調(diào)用的案例。
(2)一般案例的提煉。為給出的一般案例建立一個(gè)過(guò)程。
(3)全局檢測(cè)。檢測(cè)改變后的調(diào)用對(duì)于全局的影響。
(4)提高代碼質(zhì)量。使用一些編程語(yǔ)言中的基本技巧, 以提高代碼質(zhì)量。
總結(jié)
在移動(dòng)終端設(shè)備設(shè)計(jì)方面, 節(jié)能成為了一個(gè)很重要的設(shè)計(jì)指標(biāo)。我們選取了更高效的CPU 以降低能耗。對(duì)于交互式應(yīng)用程序而言, 我們使用DPM策略降低處于空閑態(tài)的能耗, 這種方法主要使用于OS 層。而AVS 技術(shù)是通過(guò)電壓調(diào)整來(lái)實(shí)現(xiàn)減少能耗。在應(yīng)用程序?qū)? 我們通過(guò)對(duì)軟件的優(yōu)化來(lái)達(dá)到降低能耗的目的。在Intel? PXA27x 處理芯片環(huán)境下, 通過(guò)以上方法, 我們降低了26%的能耗, 提高了30%的系統(tǒng)性能以及增加了7%的代碼量。
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