嵌入式系统的动态电源管理架构

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摘要：分析嵌入式系统对动态电源管理的需求，并在此基础上提出了与之适应的，以策略框架为中心的系统级动态电源管理架构。利用这种构架可以整合针对不同组件的动态电源管理算法和机制，从系统角度进行行之有效的管理。该架构应用于TD-SCDMA无线终端上，平均能耗下降了50%，取得良好的效果。

    关键词：动态电源管理（DPM） 功率监控 实时嵌入式操作系统

1 简介

随着系统集成技术和无线通信技术的快速发展，嵌入式系统的应用日趋网络化。尤其是无线通信系统中，人们对嵌入式设备提出了更高的要求：除了提供基本的语音、数据通信等基本功能外，还需要事例复杂的多媒体应用。这就要求嵌入式系统在满足必要的实时性前提下，提供更高的计算性能和大容量的存储空间；在这些系统一般都带有电池部件并通过它向整个系统供电。满足高性能要求的代价是更大的能量消耗，这就必须缩短电池的供电时间。大量研究证明，系统处于空闲的时间占整个运行时间的相当大一部分。电源管理就是为了减少系统在空闲时间的能量消耗，使嵌入式系统的有效能量供给率最大化，从而延长电池的供电时间。

为了延长电池的使用时间，在硬件领域，低功耗硬件电路的设计方法得到了广泛应用。然而仅仅利用低功耗硬件电路仍旧不够，进一步的，在系统设计技术中，提出了“动态电源管理DPM（Dynamic Power Management）”的概念。在DPM中，普通的方法是把系统中不在使用的组件关闭或者进入低功耗模式（待机模式），另外一种更加有效的方法就是动态可变电压DVS和动态可变频率DFS。通过在运行时态动态地调节CPU频率或者电压。可以在满足瞬时性能的前提下，使得有效能量供给率最大化。

硬件上提供的低功耗机制，需要软件实现上来发挥它的效能。理想的条件下，是希望在系统中，以“功率监控（power-aware）”的方法，管理不同的系统资源（硬件和软件上的资源），这样才能满足嵌入式系统高性能和低功耗的要求。据研究显示，系统范围内能量的骤降，完全因为系统任务的工作负荷急剧增加和外设的频繁利用。必然地，实时嵌入式操作系统就成了唯一理想的来实现软件上的DPM。这是因为：①实时嵌入式操作系统可以决策不同应用任务的运行，可以收集任务相关的实时限制信息和性能需求信息；②实时嵌入式操作系统可以直接控制底层的硬件，利用硬件提供的DPM技术或者机制。

本文主要根据嵌入式系统的特点，提出一个系统级的DPM构架。
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2 DPM构架需求

DPM构架是结构化的规则和机制来整合系统不同组件的DPM技术或者相关算法，使之能从整个系统的角度来着眼系统的电源管理问题，而不是仅仅局限于系统的某一组件。

①DPM构架应具有灵活性。由于嵌入式系统没有一个开放式的统一标准，因此DPM系统构架应具有灵活性，使之能在不同平台中得到应用。DPM系统尽管作为操作系统的一个独立模块，但是应该和操作系统透明，上层的应用通过DPM间接对硬件提供的电源管理机制进行控制，无须考虑底层的硬件细节。

②DPM构架需要收集系统的资源利用信息。DPM系统通过收集上层应用的信息和设备的信息，利用这些信息作出决策，进行整个系统范围内的电源管理。

③DPM应支持普通任务和功能监控任务并发管理机制。理想的情况下，对于每一个应用都希望功率监控，这样可以大大降低系统的能耗。然而，实际中，应用开发来自不同的厂商，大多数是对硬件透明的，因此实现每一个任务的功率监控是非常困难的；只有少数关键程序，由嵌入式系统的设计者开发。因为他们熟悉硬件的特性，可以实现功率监控，所以，在DPM系统中，应用采取某种机制实现两种混合任务的电源管理。

④DPM对外设管理应具有透明性。外设状态的变化应该做到和上层应用的DPM策略无关，不会因为外设状态的变化，而影响上层所采用的DPM策略的变化。

⑤DPM构架应支持硬件提供的电源管理机制和技术。比如DVS、DFS，系统的不同电源模式（活动、睡眠、冬眼），外设的时钟管理，外设的自动睡眠技术等等。

3 DPM构架描述

首先需要明确的是，DPM不是DVS算法，也不是功率监控的操作系统，更不是类似ACPI的电源管理控制机制。它其实是一个操作系统模块，负责管理运行时态的电源管理。DPM策略管理者和应用程序通过简单的API和该模块交互。尽管没有ACPI应用广泛，DPM架构却可以对设备和设备驱动进行管理，这样就适合对高整合的SoC处理器进行有效的电源管理。

本文提出的DPM是以策略框架（policy framework）为中心的软件结构。其中包含几个重要的概念：操作点(operationg point)、操作状态(operationg state)、策略(policy)、约束(constraint)。

（1）操作点

在给定时间点上，系统运行在某个特定操作点上。操作点封装了最小的、相互关联的、物理的离散参数集合。一般来说，参数主要是CPU的频率、电压、电源管理模式、总线频率和不同外设状态等。一旦确定了操作点，也就确定了整个系统的性能等级和与之关联的能耗等级。操作点由系统的设计者定义，在定义的时候必须注意到参数间的相关性和合理性。比如，在某种特定电源管理模式下，CPU的最高核心电压被限制，而在核心

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