嵌入式系統能耗的動(dòng)態(tài)管理方案

一般來(lái)說(shuō)，處理器運行得都太快了。例如，從 QoS 觀(guān)點(diǎn)來(lái)看，如果軟件只需要在一秒鐘內顯示完 30 幀視頻圖像，則處理器在半秒內就完成所有解碼是沒(méi)有意義的。提前完成任務(wù)的做法使能量利用效率較低。

取得性能與節能平衡的關(guān)鍵在于使用智能軟件，它可以把處理器的性能降低到正好滿(mǎn)足應用軟件需求底線(xiàn)的水平。這種軟件應該包括“性能設定”算法，由該算法來(lái)確定處理器運行的最佳性能級別，并且管理象 DVS 這樣的性能調整技術(shù)。

現有的 DVS 系統使用的是開(kāi)環(huán)控制技術(shù)，CPU 的特性是通過(guò)給定時(shí)鐘速度和電壓下的工作量來(lái)確定的，并留有足夠的余量來(lái)適應溫度、供電和晶圓工藝的變化。

嵌入式處理器被設計成能在寬廣的溫度范圍內工作和適應不同的硅工藝。因此，必須采用較高的安全裕度，才能在電源效率降低時(shí)確保足夠的安全工作范圍。隨著(zhù)供電電壓逐步轉向 1.2V 或更低，所需安全裕度的百分比也隨之增加，以覆蓋溫度及硅片工藝的各種變化。

CMOS 電路的速度會(huì )隨溫度的升高而減慢，這一效應必須算到供電電壓安全裕度里，雖然一般的工作溫度都是室溫。由于工藝技術(shù)的變數很多，如不同內核、不同晶圓、不同批量甚至不同代工廠(chǎng)都各不相同。為了保證高的產(chǎn)量，這些保護帶(guard-b ands)可以相當寬，從而對總體功耗有顯著(zhù)的影響。

可以用大量的特性來(lái)構建一個(gè)頻率與電壓對照表，以確保在所有工作條件下都能滿(mǎn)足性能要求。然后把一個(gè)確定的電壓／速度集合以硬編碼方式寫(xiě)到芯片中。在實(shí)際工作中，SoC 上定制的軟件驅動(dòng)通過(guò)一個(gè)專(zhuān)門(mén)的硬件接口來(lái)設定所需電壓級別。在改變時(shí)鐘頻率前，必須通過(guò)一個(gè)定時(shí)器或其它方法來(lái)檢查穩定電壓狀態(tài)（VDD_OK）。

自適應電壓調整(AVS)方法是一種閉環(huán)控制技術(shù)，它比 DVS 有明顯的改進(jìn)。AVS 采用固有的對工藝與溫度變化的補償，簡(jiǎn)化了電壓調整的方法，不再需要頻率／電壓表。這種技術(shù)的實(shí)現需要與嵌入式處理器協(xié)同使用幾個(gè)硬件性能監控器，由它們接收從性能設定算法送來(lái)的更改性能級別的請求。這些性能監控器可以準確地監控內核內外的工藝與溫度變化情況，并且通過(guò)標準接口與外部的能量管理單元(EMU)進(jìn)行通信。

ARM國家半導體能量管理解決方案ARM公司一直在研究一種對性能調整硬件進(jìn)行智能控制的解決方案。美國國家半導體公司則一直在研究一種智能控制供電電壓、簡(jiǎn)化 DVS 方法以及通過(guò) AVS 減小安全裕度的解決方案。兩家公司現在已經(jīng)可以給電池供電設備的開(kāi)發(fā)商提供一種端到端的方案。

ARM 公司的 Intelligent Energy Manager（智能能量管理器，IEM）解決方案以一個(gè)軟件部件為中心，即 Intelligent Energy Management 軟件。IEM 軟件與運行在應用軟件下的操作系統(OS)相互銜接，使用從 OS 內部架構獲得的參數，通過(guò)正在運行的應用程序“指導” OS 的使用?？梢杂靡恍碗s的軟件算法來(lái)評價(jià)不同類(lèi)型的軟件活動(dòng)，然后產(chǎn)生一個(gè)對未來(lái)性能的預測。每個(gè)預測結果用一個(gè)評測棧來(lái)加總，以確定出一個(gè)總體的性能預測。

策略棧的工作情況顯示在圖 4 中。每個(gè)算法都把自己的預測作為一種性能級別 (PeRF.)送進(jìn)棧中，每個(gè)預測都有一個(gè)相關(guān)的指令指出當前預測的權重，如果信任水平為低則 IGNORE（放棄該預測），如果為高則 SET（指定該預測），SET_IFGT 表示如果該預測的信任水平在棧中為最高，則應該使用該水平。當系統中發(fā)生某特殊事件時(shí)，例如一次任務(wù)切換，則要從棧底開(kāi)始向上重新對不同的預測進(jìn)行評估，以導出一個(gè)唯一的總體性能預測。