動(dòng)態(tài)電壓頻率調(diào)節(jié)技術(shù)的分析

胡 陽

（國網(wǎng)四川省電力公司 武勝縣供電分公司，四川 武勝 638400）

我國第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)雖然在應(yīng)用方面功能有限，但是需要的功率卻比較大，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)的性能形成質(zhì)的飛躍，體積不斷減小，但是耗能卻不斷提升，當(dāng)前計(jì)算機(jī)的功能已經(jīng)達(dá)到兆瓦。而耗能中處理器系統(tǒng)占用大部分，通過對(duì)官方網(wǎng)站的分析發(fā)現(xiàn)，處理器的功率能夠達(dá)到130W，Intel 處理器出現(xiàn)后才從功耗方面解決了功率問題，而起到主要作用的則是動(dòng)態(tài)電壓頻率調(diào)節(jié)技術(shù)。

1 動(dòng)態(tài)電壓頻率調(diào)節(jié)技術(shù)簡(jiǎn)析

動(dòng)態(tài)電壓頻率調(diào)節(jié)技術(shù)是一種重要的節(jié)能技術(shù)形式。當(dāng)前計(jì)算機(jī)處理器中主要采用的為CMOS 邏輯門電路，這是一種基于MOSFET 的電路節(jié)點(diǎn)邏輯形式，通過對(duì)電路電容充放電的影響實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓的改變，電壓高可以促進(jìn)電容放電速度加快，提升操作頻率。通過以上工作原理分析可知，計(jì)算機(jī)的功耗主要受能耗以及處理器功耗的影響[1]。如果處理器的電壓和頻率比較低的情況下，得到的能耗收益也會(huì)更高。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)并不需要時(shí)刻保持滿負(fù)荷的工作狀態(tài)，可以結(jié)合計(jì)算機(jī)的負(fù)荷情況對(duì)頻率以及電壓進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。在計(jì)算機(jī)頻率以及電壓的節(jié)能性質(zhì)調(diào)整中，早期計(jì)算機(jī)已經(jīng)提供和形成相應(yīng)的用戶接口，比如可以通過對(duì)處理器工作電壓的調(diào)整，提升處理器倍頻和外頻，保證處理器的工作效率。這種技術(shù)與DVFS 技術(shù)存在一定的差別，一般設(shè)置在系統(tǒng)啟動(dòng)前，在運(yùn)行過程中則是不變的。通過DVFS技術(shù)處理器的應(yīng)用能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)工作電壓以及頻率動(dòng)態(tài)調(diào)整的目的。從當(dāng)前主流處理器的離散預(yù)設(shè)頻率調(diào)節(jié)情況來看，采用的離散預(yù)設(shè)頻率個(gè)數(shù)比較多。從計(jì)算機(jī)的工作情況來看，相對(duì)于電壓的控制來說，對(duì)頻率的控制收益更明顯，因此處理器的應(yīng)用中更傾向于對(duì)工作頻率的調(diào)整。首先設(shè)定一個(gè)最低電壓，并形成多級(jí)的頻率與電壓對(duì)，結(jié)合需要對(duì)計(jì)算機(jī)電壓與頻率進(jìn)行同時(shí)調(diào)整。

2 動(dòng)態(tài)電壓頻率調(diào)節(jié)技術(shù)的耗能分析

2.1 實(shí)時(shí)系統(tǒng)的控制

隨著動(dòng)態(tài)電壓頻率調(diào)節(jié)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，處理器在電壓以及頻率級(jí)數(shù)的調(diào)整層次逐漸增多，調(diào)整開銷得到有效控制，在技術(shù)低能耗和低功耗方面的研究?jī)?nèi)容也越來越豐富。上世紀(jì)30 年代在軍事應(yīng)用中采用了實(shí)時(shí)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)系統(tǒng)中計(jì)算的準(zhǔn)確率與計(jì)算邏輯結(jié)果以及結(jié)果產(chǎn)生時(shí)間等都具有直接的關(guān)系，也就是在研究中對(duì)任務(wù)時(shí)間進(jìn)行控制。結(jié)合時(shí)間控制的程度可以分為不同的系統(tǒng)類型，如果發(fā)現(xiàn)任務(wù)沒有達(dá)到時(shí)間控制要求則會(huì)發(fā)生致命的錯(cuò)誤，這些系統(tǒng)為硬實(shí)時(shí)性系統(tǒng)[2]。如果可以接受偏差不大的時(shí)間控制問題則為軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)。在系統(tǒng)的設(shè)置中實(shí)時(shí)系統(tǒng)大部分采用的都是嵌入式的系統(tǒng)模式，通過時(shí)間控制和約束使各個(gè)實(shí)時(shí)任務(wù)的執(zhí)行中都能夠具有時(shí)間控制概念，而且在任務(wù)執(zhí)行中也會(huì)出現(xiàn)最壞以及實(shí)際應(yīng)用時(shí)間。其中實(shí)際執(zhí)行時(shí)間指的是系統(tǒng)任務(wù)執(zhí)行中的實(shí)際時(shí)間，而最壞運(yùn)行時(shí)間指的則是在生命周期內(nèi)任務(wù)執(zhí)行的時(shí)間最大值，而這些數(shù)值需要通過靜態(tài)分析獲得。如果系統(tǒng)可以符合實(shí)時(shí)要求說明任務(wù)的截止時(shí)間比實(shí)際運(yùn)行時(shí)間小。而實(shí)際任務(wù)與實(shí)時(shí)任務(wù)間的差值則為松弛時(shí)間。實(shí)時(shí)系統(tǒng)中通過動(dòng)態(tài)電壓頻率調(diào)節(jié)技術(shù)的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)對(duì)能耗和功耗控制的作用。通過松弛時(shí)間的獲取可以實(shí)現(xiàn)對(duì)處理器頻率的處理。如果實(shí)際運(yùn)行時(shí)間與任務(wù)截止時(shí)間相近或者偏下的情況下，不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)行任務(wù)功耗的控制，還能夠滿足時(shí)間的控制。

針對(duì)一個(gè)周期任務(wù)，將實(shí)時(shí)系統(tǒng)設(shè)置為T1、T2、T3，在執(zhí)行的過程中如果根據(jù)最高執(zhí)行頻率，會(huì)使系統(tǒng)具有松弛時(shí)間（如圖1）。通過動(dòng)態(tài)電壓頻率調(diào)節(jié)技術(shù)對(duì)頻率進(jìn)行降低調(diào)節(jié)中，可以利用松弛時(shí)間的填充實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)能耗以及功耗等方面的降低，滿足不同任務(wù)的時(shí)間控制。

圖1 動(dòng)態(tài)電壓頻率調(diào)節(jié)技術(shù)在實(shí)時(shí)系統(tǒng)的應(yīng)用示意圖

通過時(shí)間控制與約束的應(yīng)用有利于促進(jìn)動(dòng)態(tài)電壓頻率調(diào)節(jié)技術(shù)與實(shí)時(shí)系統(tǒng)保持緊密的聯(lián)系，并衍生出更多的關(guān)于動(dòng)態(tài)電壓頻率調(diào)節(jié)的技術(shù)形式研究?jī)?nèi)容。但是松弛時(shí)間的應(yīng)用，對(duì)于處理器頻率降低仍然存在一定的問題，必須要在任務(wù)執(zhí)行后才可以進(jìn)行運(yùn)行時(shí)間的獲取[3]。最壞運(yùn)行時(shí)間主要應(yīng)用于預(yù)測(cè)實(shí)際運(yùn)行時(shí)間，這種預(yù)測(cè)方式缺乏精確性，還需要繼續(xù)加強(qiáng)潛力的挖掘。因此在這個(gè)領(lǐng)域的研究中需要將更多的時(shí)間應(yīng)用在如何保證預(yù)測(cè)的精確性方面。

2.2 實(shí)際系統(tǒng)應(yīng)用

圖2 PMH 與PMP 的應(yīng)用圖示

動(dòng)態(tài)電壓頻率調(diào)節(jié)技術(shù)在系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用中，會(huì)由于循環(huán)系統(tǒng)和分支系統(tǒng)使編譯器靜態(tài)分析中對(duì)PMP 的間隔插入無法實(shí)現(xiàn)等間隔。為了促進(jìn)PMP 概念在實(shí)際系統(tǒng)的有效應(yīng)用，在后續(xù)的工作中將調(diào)頻以及分析功能介入到后續(xù)操作系統(tǒng)中。設(shè)置編譯器靜態(tài)插入代碼，代碼設(shè)置為PMH，并對(duì)代碼的實(shí)際執(zhí)行情況進(jìn)行獲取。操作系統(tǒng)在PMP 執(zhí)行中需要保證執(zhí)行的定時(shí)性，PMP 與PMH 間會(huì)出現(xiàn)交互機(jī)制對(duì)松弛時(shí)間進(jìn)行獲取，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)頻的作用[4]。操作系統(tǒng)通過定時(shí)機(jī)制的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)對(duì)松弛時(shí)間間隔處理的均等性，符合調(diào)頻需要。這個(gè)階段的代碼插入需要在兩次PMP 之間進(jìn)行執(zhí)行，同時(shí)必須要融入一次PMH 的執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)對(duì)PMP數(shù)據(jù)的收集。

3 結(jié)語

綜上所述，計(jì)算機(jī)應(yīng)用中會(huì)造成大量的能耗，但是這些能耗并非全部用于計(jì)算機(jī)正在執(zhí)行的功能中，也就是出現(xiàn)部分能耗浪費(fèi)的情況。針對(duì)這個(gè)問題可以利用動(dòng)態(tài)電壓頻率調(diào)節(jié)技術(shù)加強(qiáng)對(duì)能耗的降低，通過對(duì)電壓以及頻率的調(diào)整實(shí)現(xiàn)控能的作用。因此需要加強(qiáng)對(duì)動(dòng)態(tài)電壓頻率調(diào)節(jié)技術(shù)的分析和研究，通過多個(gè)級(jí)別電壓/頻率的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)能耗的控制。