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[導(dǎo)讀]動(dòng)態(tài)電壓與頻率調(diào)節(jié)在降低功耗中的作用

摘要 目前,為了降低功耗,越來越多的芯片支持動(dòng)態(tài)電壓與頻率調(diào)節(jié)DVFS(Dynamic Voltage and Frequency Scaling)。本文列舉了基于軟件和硬件的DVFS實(shí)現(xiàn),驗(yàn)證了DVFS在降低功耗方面的巨大潛力,并分析了影響DVFS應(yīng)用的一些因素。
關(guān)鍵詞 電源管理 動(dòng)態(tài)電壓與頻率調(diào)節(jié) CPU負(fù)載跟蹤 預(yù)測算法


1 DVFS的工作流程
   
現(xiàn)在,為了延長便攜式設(shè)備(如手機(jī)、MP3、多媒體播放器、筆記本電腦等)的電池壽命,芯片廠商們正在絞盡腦汁開發(fā)新的節(jié)電技術(shù)。簡單地說,這些節(jié)電技術(shù)可以分為兩類——?jiǎng)討B(tài)技術(shù)和靜態(tài)技術(shù)。靜態(tài)技術(shù)包括不同的低功耗模式,芯片內(nèi)部不同組件的時(shí)鐘或電源的按需開關(guān)等。動(dòng)態(tài)技術(shù)則是根據(jù)芯片所運(yùn)行的應(yīng)用程序?qū)τ?jì)算能力的不同需要,動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)芯片的運(yùn)行頻率和電壓(對于同一芯片,頻率越高,需要的電壓也越高),從而達(dá)到節(jié)能的目的。該技術(shù)的理論依據(jù)是如下的公式:

   
    從上面的公式可以看出,降低頻率可以降低功率,但是單純地降低頻率并不能節(jié)省能量。因?yàn)閷τ谝粋€(gè)給定的任務(wù),F(xiàn)*t是一個(gè)常量,只有在降低頻率的同時(shí)降低電壓,才能真正地降低能量的消耗。
    目前許多芯片支持DVFS,比如Intel公司的芯片支持SpeedStep,ARM的支持IEM(Intelligent Energy Man-ager)和AVS(Adaptive Voltage Scaling)等。但是要讓DVFS發(fā)揮作用,真正地實(shí)現(xiàn)節(jié)能,只有芯片的支持還是不夠的,還需要軟件與硬件的綜合設(shè)計(jì)。
    一個(gè)典型的DVFS系統(tǒng)的工作流程如下:
    ①采集與系統(tǒng)負(fù)載有關(guān)的信號,計(jì)算當(dāng)前的系統(tǒng)負(fù)載。這個(gè)過程可以用軟件實(shí)現(xiàn),也可以用硬件實(shí)現(xiàn)。軟件實(shí)現(xiàn)一般是在操作系統(tǒng)的核心調(diào)用中安放鉤子,特別是調(diào)度器,根據(jù)其調(diào)用的頻度來判斷系統(tǒng)的負(fù)載。硬件實(shí)現(xiàn)如Freescale的i.Mx3l,通過采集一些核心信號中斷線、Cache、內(nèi)存總線的使用情況等,計(jì)算當(dāng)前的系統(tǒng)負(fù)載。
    ②根據(jù)系統(tǒng)的當(dāng)前負(fù)載,預(yù)測系統(tǒng)在下一時(shí)間段需要的性能。有多種預(yù)測算法可以選擇,要根據(jù)具體的應(yīng)用來決定。這種預(yù)測,既可由軟件實(shí)現(xiàn),也可由硬件實(shí)現(xiàn)。
    ③將預(yù)測的性能轉(zhuǎn)換成需要的頻率,從而調(diào)整芯片的時(shí)鐘設(shè)置。
    ④根據(jù)新的頻率計(jì)算相應(yīng)的電壓。通知電源管理模塊調(diào)整給CPU的電壓。這需要特別的電源管理芯片,比如Frccscak公司的MCl3783或者NS公司的支持PowerWise特性的系列電源管理芯片。它們能夠支持微小的電壓調(diào)整(25 mV)井且能在極短的時(shí)間內(nèi)(幾十μs)完成電壓的凋整。
    另外,在調(diào)整頻率和電壓時(shí),要特別注意調(diào)整的順序。當(dāng)頻率由高到低調(diào)整時(shí),應(yīng)該先降頻率,再降電壓;相反,當(dāng)升高額率時(shí),應(yīng)該先升電壓,再升頻率。
    圖1演示了簡單的DVFS過程。

2 基于軟件的DVFS實(shí)現(xiàn)
   
在基于軟件的DVFS實(shí)現(xiàn)中,一般通過在操作系統(tǒng)的核心調(diào)用中安裝鉤子的辦法來收集系統(tǒng)調(diào)用的信息,判斷當(dāng)前的系統(tǒng)負(fù)載。其中最重要的是調(diào)度器,其他地方包括讀/寫接口、定時(shí)器等。例如,在Linux內(nèi)核中,一般在以下地方安裝鉤子。

   

   
    在預(yù)測下一時(shí)間段的系統(tǒng)負(fù)載時(shí),需要利用采集到的前面幾個(gè)時(shí)間段的實(shí)際負(fù)載值,然后根據(jù)下面的公式進(jìn)行預(yù)測:

   
    以上這些算法各有其優(yōu)缺點(diǎn)。例如LMS算法類似于自適應(yīng)濾波器,能夠自動(dòng)調(diào)整參數(shù),但是面臨著收斂速度的問題。
    ARM公司為了驗(yàn)證其芯片的DVS(Dynamic Voltage Sealing,動(dòng)態(tài)電壓凋節(jié))特性,開發(fā)的軟件Vertigo中,采用了UH(Utilization History)算法,有關(guān)的公式如下:

   

   
    該算法對那些性能需求變化較慢的任務(wù)比較實(shí)用,比如MPEG解碼器。
    在Vertigo的實(shí)現(xiàn)中,一些預(yù)測器完成性能預(yù)測,它將會(huì)把新的性能需求提交給策略管理器,由策略管理器決定是否調(diào)整當(dāng)前的性能設(shè)置。Vertigo的架構(gòu)如圖2昕示。

3 基于硬件的DVFS實(shí)現(xiàn)
   
正如前面所說的,CPU負(fù)載跟蹤與性能預(yù)測的工作都可以由硬件完成。這樣,一方面增強(qiáng)了負(fù)載計(jì)算的準(zhǔn)確性;另一方面減輕了CPU用于負(fù)載跟蹤與性能預(yù)測的負(fù)擔(dān)。當(dāng)然,這樣做也有一個(gè)弊端,就是無法靈活地選擇預(yù)測算法。但是,這個(gè)缺點(diǎn)可以通過設(shè)置不同的預(yù)測參數(shù)得到一定程度的彌補(bǔ)。
    飛思卡爾的i.MX31就是這樣的一個(gè)例子。這是一款針對移動(dòng)多媒體市場的應(yīng)用處理器,具有強(qiáng)大的音頻和視頻處理能力。該芯片內(nèi)部包含一個(gè)ARMll的CPU核,同時(shí)它也繼承了來自ARM的DVS技術(shù)并發(fā)展為DVFS。在該芯片中,CPU負(fù)載跟蹤和性能預(yù)測都是由硬件完成的,其負(fù)載跟蹤模塊框圖如圖3所示。

    在圖3中,16路CPU活動(dòng)信號被采集之后,經(jīng)過加權(quán),被送到負(fù)載疊加器,與另外采集的CPU空閑信號(經(jīng)過簡單平均)進(jìn)行疊加。疊加器輸出的結(jié)果被送到EMA模塊,執(zhí)行指數(shù)移動(dòng)平均(Exponential Moving Average)算法,進(jìn)行性能預(yù)測。EMA模塊得到的結(jié)果與預(yù)先設(shè)置的門限值進(jìn)行比較,如果預(yù)測的性能需求高于上限,則請求調(diào)高頻率;反之,如果預(yù)測的性能需求低于下限,則請求降低頻率。這種請求一般作為中斷,發(fā)送給CPU自身或外接的處理器,由它們在其中斷處理程序中設(shè)置相應(yīng)的頻率和電壓。圖4演示了整個(gè)處理流程。
    在圖4中,CCM(Clock Control Module)為時(shí)鐘控制模塊,負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)CPU的頻率,PMIC(Power ManagementIC)為電源管理芯片,負(fù)責(zé)提供CPU所需要的電壓。該芯片提供兩種接口給CPU:常規(guī)的SPI(Scrial ProgrammableInterface)和專用于動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)的DVS接口。該接口由兩根線組成。兩根線的狀態(tài)00表示電壓無變化,01表示電壓降低一格,10表示電壓升高一格,11表示電壓升到最高值。

    圖4中的DPTC(Dynamic Process and Tempcrature Control)指的是動(dòng)態(tài)制程與溫度控制。該技術(shù)能夠根據(jù)該芯片的制程和當(dāng)前的溫度動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)電源電壓,從而也可以有效地節(jié)省能量。這也是i.MX3l的一項(xiàng)創(chuàng)新。


4 DVFS應(yīng)用的實(shí)際效果
   
為了驗(yàn)證DVFS的實(shí)際效果,需要在CPU上運(yùn)行相應(yīng)的應(yīng)用程序,并測量使用DVFS技術(shù)和不使用DVFS技術(shù)時(shí)CPU的功耗。這里,分別給出軟件實(shí)現(xiàn)的DVFS和硬件實(shí)現(xiàn)的DVFS在節(jié)省能量方面的實(shí)際測量數(shù)據(jù)。
    Intrinsyc公司將ARM公司的IEM軟件移植到WinCE上,并測量了IEM使能或禁止時(shí)的CPU功耗。軟件運(yùn)行在i.MX31的開發(fā)板上,但是因?yàn)樗鼪]有使用i.MX31內(nèi)置的DVFS,因此可以將其看作軟件實(shí)現(xiàn)的DVFS。在計(jì)算CPU負(fù)載時(shí),采用了簡單移動(dòng)平均算法(即式(3)中的h恒為1/N);同時(shí),它通過一個(gè)GPIO來指示系統(tǒng)是否已經(jīng)進(jìn)入空閑狀態(tài)(cpu_i-dle()線程被調(diào)度)。如果Idle的比例越小,則表明CPU的利用率越高。表1和表2是實(shí)際的測量數(shù)據(jù)。

    為了驗(yàn)證硬什實(shí)現(xiàn)的DVFS的功效,作者在i.MX3l的開發(fā)板上進(jìn)行了測量。所使用的操作系統(tǒng)是Linux。表3給出了實(shí)際的測量數(shù)據(jù)。

    從表3中可以清楚地看出,無論軟件實(shí)現(xiàn)的DVFS還是硬件實(shí)現(xiàn)的DVFS,都可以有效地降低能量消耗。


5 影響DVFS應(yīng)用的因素
   
動(dòng)態(tài)電壓與頻率調(diào)節(jié)的技術(shù)提出很久了,在Linux上也有專門的開源項(xiàng)目cpufreq,但是這項(xiàng)技術(shù)并沒有得到廣泛的應(yīng)用。其中一個(gè)最關(guān)鍵的因素就是預(yù)測的可靠性。沒有一種預(yù)測算法是l00%準(zhǔn)確的,也沒有一種算法可以應(yīng)用于所有的程序;而對于實(shí)時(shí)類的應(yīng)用(如音頻、視頻等),預(yù)測失敗的結(jié)果是不可接受的。因?yàn)閷?shí)時(shí)類的應(yīng)用都有一個(gè)Deadline,錯(cuò)過Deadline,就意味著程序的運(yùn)行出了問題。比如音頻或視頻幀的播放時(shí)間錯(cuò)過以后,用戶就能明顯地感覺到音頻或視頻的不連貫,這會(huì)極大地影響用戶的體驗(yàn),從而也會(huì)影響用戶對DVFS的信心。作者在進(jìn)行DVFS的測試時(shí),就碰到過這些問題。IEM測試中采用的簡單移動(dòng)平均算法只對單一應(yīng)用程序有效。但是i.MX31內(nèi)置的移動(dòng)指數(shù)平均算法EMA也不是萬能的。對于Pink Floyd的某些音樂,它就不能平滑地播放(也許通過修改一些加權(quán)參數(shù),可以播放)。
    但是作者相信,隨著預(yù)測算法的進(jìn)步,DVFS技術(shù)必將得到廣泛的應(yīng)用,因?yàn)樗軌蚬?jié)省很多能量。而節(jié)能對許多便攜式設(shè)備來說,常常是第一要求。

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