嵌入式設備動態電源管理初探

朱超軍

（四川司法警官職業學院，四川 德陽 618000）

1 引言

隨著嵌入式技術的飛速發展，嵌入式系統的功能變得日益強大。系統的高性能需要更大的能量消耗，這就必定縮短電池的供電時間。而電池技術的發展相對緩慢，有限的電池容量限制了系統的使用時間。如何提高系統部件的電源利用率，降低不必要的電能消耗，成為嵌入式領域中亟待解決的問題。

操作系統電源管理作為系統級電源管理的一種實現技術，在計算機功耗管理中擁有核心地位和優勢。因為操作系統作為整個軟硬件系統的資源管理者，除了通過管理任務的調度執行來實現系統的功能和性能要求外，還能夠了解系統底層資源的狀態、中間層任務執行的情況、以及上層應用的需求和反饋，比其他軟件成分更適合對各種資源進行需求監視、預測、和控制，起到協調全局、控制管理的核心作用。

2 系統功耗

在計算機系統中直接消耗能量的是計算機硬件，包括處理器和存儲器等核心部件，也包括磁盤驅動器、網絡通訊端口和顯示設備等外圍輸入輸出部件。總體而言，系統中功耗分為數字電路功耗和模擬電路功耗，在嵌入式系統中數字電路功耗占整個系統功耗的主要部分。目前，功耗已成為系統設計的最重要的制約因素之一。

2.1 硬件特性

為了滿足嵌入式應用的低功耗需求，CPU和外圍設備大都考慮了低功耗特性，并提供了可編程控制的多種功耗工作模式。

對于硬件設備，如果提供了多種功耗工作模式，并能夠通過軟件編程的方法來實現工作模式之間的切換，就稱該硬件設備為可編程功耗管理的設備。

可編程功耗管理設備的目的在于提供功耗可以變化的工作模式。就CPU 來說，為達到低功耗目的，提供了多種功耗管理機制，如允許停止CPU時鐘，能夠使CPU 工作于多種時鐘頻率，CPU 中的模塊能夠被單獨停止工作。對于外圍設備，也大都提供了多種功耗工作模式，如睡眠模式，它能夠維持設備的基本功能；設備內部時鐘保持運行狀態的設備掉電模式，設備不能提供正常的功能；設備內部時鐘停止運行的設備掉電模式，設備不能提供正常的功能。

系統中的設備具有可編程功耗管理特性，是電源管理的基礎。在嵌入式領域中提出了系統工作的四種功耗模式--常規模式、空閑模式、休眠模式和睡眠模式。在不同的功耗模式下，系統的功耗也不同。根據系統當前的活動狀況，確定出合適的工作功耗模式，從而實現系統的低功耗目標。

2.2 功耗模式

系統工作的不同功耗模式為：常規模式、空閑模式、休眠模式和睡眠模式。

常規模式：為通常的工作模式，系統的大部分操作都在此模式下運行。在該模式下，CPU Core（指執行任何計算相關操作都需要上電的硬件內容，包括CPU時鐘、Cache，系統總線和系統定時器）和所有的外部設備都處于上電狀態，系統的功耗最大、性能也最好。

空閑模式：在該模式下，CPU Core 被關閉，而大多數外部設備則處于活動狀態。該狀態表示外部設備需要處于活動狀態，而CPU 則不需要處于活動狀態時的一種低功耗模式。如終端的LCD 需要顯示內容，但該內容在顯示過程中不需要發生變化的靜態顯示就屬于這種情況。在該模式下，沒有活動的任務，所有任務都處于掛起或停止狀態。對于外部設備，則仍處于活動狀態，以便接收內部或外部的事件。

休眠模式：在該模式下，CPU 中的大多數模塊和大多數外部設備處于掉電狀態 (如LCD 和LCD 控制器)，而CPU Core 則仍處于運行狀態。該模式下，仍保持處理一些對系統應用是無效的外部事件而不需要切換功耗模式的能力，如用戶操作了觸摸屏上對應用無效的輸入區域。

睡眠模式：為功耗最低的模式，只有系統實時時鐘處于活動狀態，CPU Core 和所有的外部設備都處于掉電模式。在該模式下，只有外部中斷能夠喚醒系統，并使系統首先進入休眠模式，然后再進入常規模式。

對于四種功耗模式，常規模式的功耗最高，空閑模式和休眠模式次之，睡眠模式最低。由于降低功耗主要是通過關掉一些暫時不用的設備來實現的，并且高功耗模式到低功耗模式的切換還需要保存一些必要的數據，因此，工作模式的功耗越低，要恢復到常規模式的時間也越長。

3 電源管理

電源管理（Power Management）泛指管理和控制計算機系統中能量消耗的技術和方法。它研究計算機系統的功耗屬性。它涉及計算機系統的每一個環節，研究內容非常廣泛。

系統級的電源管理是在系統層面研究功耗與其他性能的關系，研究功耗與運行速度、吞吐率、響應時間、開發、估計成本、可靠性、使用壽命等其他性能的折衷，包括設計時功耗建模和優化，也包括運行時的功耗控制。在高性能計算機系統中，其重點是在一定功耗限制下實現系統其他性能的最大化。而在低端計算機系統中，其重點常常是在一定性能約束下實現系統功耗的最小化。

為簡化系統開發和管理，在大中型嵌入式系統中廣泛使用實時操作系統。實時操作系統管理I/O 設備、處理器和內存等硬件資源，為應用軟件提供硬件抽象、實時資源管理和進程間通訊與同步等功能。實時操作系統一方面是硬件的管理者，控制這些硬件資源的分配、調度和回收；另一方面又是系統中任務的管理者，可以獲得任務的執行需求、截止時間和其他性能要求信息。實時操作系統在嵌入式系統中的獨特地位，決定了它在系統級功耗管理技術中擔當重要角色。

4 動態電源管理DPM

嵌入式系統中許多部件具有多種休眠模式，如磁盤驅動器、通訊網卡、內存等，這類部件也稱為功率可管理部件（Power Manageable Component，簡稱為PMC）。在空閑時PMC 可以一直保持就緒狀態，一旦服務請求到達立刻響應請求。也可以切換到休眠模式，請求到達時先激活，而后再提供服務。

通過實驗，發現計算機系統的許多部件大部分時間均處于空閑狀態。由于PMC 休眠模式的功耗比就緒模式低很多，系統可通過選擇性地將空閑PMC 設置為低功耗休眠模式，降低PMC 空閑時間的功耗。

把電源管理軟件和被管理的系統部件抽象為一個子系統，如圖1所示，由電源管理器（Power Manager）和它控制之下的PMC 構成，其中電源管理器又包括監視器和控制器。盡管系統級PM 可以由硬件實現，也可由軟件實現，但隨著系統復雜度的增加，越來越多的策略適合由操作系統來實現。

DPM（Dynamic Power Management）是旨在優化PMC 空閑時間功耗的電源管理技術。在操作系統中，電源管理器（Power Manager）實時監視PMC 的運行負荷，根據負荷變化，在滿足系統性能約束的條件下，動態調整PMC 的休眠深度，降低PMC 空閑時間功耗。

目前，按照采用的控制策略不同，DPM 大體可分為三類：超時策略DPM、預測策略DPM 和隨機策略DPM。

4.1 超時策略DPM

超時策略DPM 的基本思想是根據已觀察到的空閑時間數據確定一個時限值，一旦持續空閑時間超過這一時限，就切換到相應休眠模式。

系統等待的空閑時間T 必須大于Tth。這種方法的特點是簡單但很不準確，因為如果選取的T 值過大會失去一些節能的機會，使節能效果不好，而且在喚醒時性能降低。可采取預判斷的方法加以改進，即在對系統已經經歷的空閑時間和工作的觀察基礎上，認為系統的空閑時間將會大于Tth，那么系統一旦空閑就讓它進入睡眠態，這樣可以減少浪費的能量。另外，采用預啟動方法也可以改進喚醒系統時性能降低的缺點。當預測的空閑時間段結束時，即使沒有新的任務,電源管理器也將系統從睡眠中喚醒。當預測的空閑時間小于實際值時，這種方法會使功耗增加，但減小了系統相應第一個到來任務的延遲。因此，應該根據系統的實際需求來選取使用哪種方法。

超時策略DPM 的優點是算法簡單通用，可通過控制時限值調整算法的響應性能，廣泛應用于硬盤、顯示器等部件的功耗管理中。但其缺點是不管空閑時間長短，都得等待一段時間才進入休眠模式，造成一定的功耗浪費。

4.2 預測策略DPM

預測策略DPM 在開始時依據一定規則對本次空閑時間長度進行預測，一旦預測值超過特定切換閾值，在一開始就將PMC 切換到相應休眠模式，否則保持就緒狀態。

Srivastava 提出兩種預測算法，一種采用非線性遞歸模型根據歷史服務和空閑的時間長度預測將來的空閑時間長度，該算法的缺點是遞歸系數在需要設計時確定。另一種算法是基于硬盤相鄰服務和空閑的時間長度具有“L 形”特征的觀察結果，即較長服務時間之后的空閑時間長度較短，而較短服務時間之后的空閑時間較長，當算法檢測到服務時間小于特定時限值，則在下一空閑時間開始實施切換，該算法僅適用于具有“L 形”特征的應用，而且服務時間時限值的確定非常關鍵。Hwang 采用常見的加權移動平均的時間序列預測方法，當預測值小于切換閥值，PMC 在空閑時間開始保持就緒狀態，之后以切換閾值為周期進行預測修正。

如果相鄰空閑時間長度具有明顯的規律性，預測保證了較高的準確性，這時預測算法可以獲得很好的優化效果。但在實際應用中，這種規律很難把握，錯誤預測則帶來較大的功耗和響應性能損失，不能保證實際優化效果。預測策略DPM 另一個缺點是不能有效控制響應延遲，進行功耗和響應性能之間的折衷控制，不適用于具有響應性能約束的應用。

4.3 隨機策略DPM

隨機策略DPM 將DPM 看成一個隨機優化問題，利用隨機決策模型求解DPM 控制算法。動態電源管理優化問題可以利用受控的Markov 過程來解決。其將系統負載和用戶請求抽象為離散時間Markov 決策過程模型，使得動態電源管理最優化問題在多項式時間內有解，而且提供了靈活的方法來處理降低能耗與性能損失的權衡問題。一些離散時間Markov 模型的擴展方法也被提出，用來降低動態電源管理器的能耗。

基于隨機策略DPM 中，假設部件和工作負載都能用Markov 鏈建模。由此就可以對部件電源消耗和響應（及狀態轉換）時間的不確定性，以及電源狀態、緩沖區、隊列等要素建模；并計算全局優化的電源管理策略，以可控的方式在電源和性能之間進行權衡。

Markov 模型包括：

服務請求者（Service Requester,SR），狀態集為R 的Markov 鏈，表示到來的系統服務請求。

服務提供者（Service Provider,SP），狀態集為S 的受控Markov 鏈，狀態表示系統的功耗狀態。狀態轉換是符合概率分布的，概率分布受控于電源管理器發出的命令。電源管理器（Power Manager,PM），實現 SR狀態集和SP 狀態集到命令狀態集A 的函數f：S×R→A，是狀態轉換決策的抽象。PM 觀察系統和工作負載的狀態，決策并發出命令，控制系統的未來狀態。

代價矩陣：把由S×R×A 表示的系統狀態命令對和電源/性能權衡關聯起來。

一個簡單的用于電源管理的Markov 過程模型如圖2。SR 是雙態Markov 鏈，兩個狀態間的轉換由圖2(a)中的有向邊表示。SP 也有兩個狀態（如圖 2(b)所示），S={on,off}。在電源管理器的命令控制下進行狀態轉換。兩個命令分別是s_on 和s_off，分別表示開啟和關閉。但PM 發出命令時，SP 將會以一定的概率轉換為下一個狀態，概率僅僅依賴于命令、源狀態和目標狀態。邊上的權值代表轉換概率，其值依賴于PM 發出的命令。隨機策略可以表示為一個把每個SP、SR 狀態與命令相關聯的表。例如，一個簡單的決策是：

f:{(0,on)→s_off,(1,on)→s_on,(0,off)→s_off,(1,off)→s_on}

為了實現策略優化，SR 和SP 的Markov 鏈組合起來得到全局受控Markov 鏈。找到一個滿足給定性能約束下功耗最低的策略問題變成一個線性規劃問題，求解得到一個隨機策略。策略是非確定性函數，給定一個當前系統狀態，給每個命令關聯一個概率。發出的命令通過一個基于狀態依賴概率的隨機驗證來選擇。

隨機策略DPM 的優點是既可以確保功耗優化結果，又可以有效控制響應延遲。其缺點是假設服務請求服從已知的某種分布，從而限制了其適用范圍。

5 總結

系統功耗已經成為嵌入式系統設計的主要制約因素之一，由于系統功耗的限制，嵌入式系統的持續工作時間、制造和運行成本，設備的封裝體積、可靠性和使用壽命，以及高性能部件的使用，都受到嚴重影響。隨著微電子技術的發展，各種先進的硬件功耗控制技術的出現，軟件方面的功耗管理技術已經成為控制和優化計算機系統功耗的重要手段，特別是操作系統級的電源管理技術逐漸成為降低嵌入式系統功耗的關鍵技術之一。

本文對嵌入式操作系統電源管理中的主要策略和實現的關鍵技術進行了綜述，詳細討論了系統功耗模式，給出了電源管理策略DPM 的形式化的描述和分析，并簡單討論了嵌入式操作系統具有的電源管理架構。

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