嵌入式系統動(dòng)態(tài)電壓調節設計技術(shù)

假設系統最大的可供電壓為3．3 V，在該電壓下的功耗被標準化為1W。由CMOS器件特性可知，供給電壓的降低將會(huì )導致電路延遲的增加。電路延遲更精確的表達式為：

式中k是常數，Vdd為工作電壓，Vt為門(mén)檻電壓。
假設Vt的典型值為O．8 V。顯然，當沒(méi)有應用任何功耗降低技術(shù)時(shí)，系統的功耗為1W。在對DVS調度技術(shù)進(jìn)行說(shuō)明的過(guò)程中，將其與DPM策略中的預測關(guān)閉技術(shù)進(jìn)行了比較。當使用預測關(guān)閉技術(shù)時(shí)，假設系統完全預知工作負載的空閑時(shí)段，即處理器一旦進(jìn)入空閑狀態(tài)就立即將其關(guān)閉，從而使得該技術(shù)能夠對系統功耗達到最大程度的優(yōu)化。DVS策略應用的最終目的在于滿(mǎn)足各個(gè)任務(wù)截止期限的同時(shí)使得系統功耗最小化。任務(wù)調度過(guò)程采用了EDF(Earliest Deadline First)調度機制。
如圖1(a)所示，在系統預測關(guān)閉技術(shù)下，系統的工作電壓一直為3．3 V。所有任務(wù)在[O，4]、[5，13]時(shí)間段內執行完畢，而處理器在[4，5]、[13，20]時(shí)間段內將被關(guān)閉，然后再為下一個(gè)周期性任務(wù)提供服務(wù)。處理器占空比是60％，因此平均功耗為0．6W。而在DVS應用過(guò)程中，如圖1(b)所示，系統的平均功耗為O．38W，該值比預測關(guān)閉技術(shù)又降低了(O．6-O．38)／O．6=37％。

O．38W只是在不知道間發(fā)性任務(wù)(即Tc、Td、Te)到達時(shí)間的情況下所能達到的最小功耗值。如果能夠完全知道間發(fā)性任務(wù)的到達時(shí)間，則DVS最優(yōu)策略就能夠使處理器在所有時(shí)間內都維持在一個(gè)最低的電壓水平，同時(shí)保證所有任務(wù)都滿(mǎn)足截止期限的要求。在圖1(b)中，如果系統能夠預知Tc、Td、Te的到達時(shí)間，則[0，20]時(shí)間段內的最優(yōu)電壓為2．48 V，該電壓值所對應的處理器速度為最大速度的60％(即[3．3／(3．3―0．8)2]／[2．48／(2．48―0．8)2])，該運行速度也導致系統的平均功耗降為0．34W。顯然，這個(gè)功耗平均值也對應著(zhù)在不知道間發(fā)性任務(wù)到達時(shí)間的情況下系統功耗所能達到的最小邊界值。
3．3 DVS與DPM的比較
通過(guò)對DVS、DPM的基本原理以及策略模型的闡述可以看出，DVS與DPM原理之間有著(zhù)明顯的區別，但同時(shí)也存在著(zhù)一致性。
DVS與DPM的區別在于：
①DVS在運行過(guò)程中根據工作負載的應用需求(即任務(wù)完成時(shí)間)來(lái)動(dòng)態(tài)調節設備(以處理器為主)的工作電壓，而DPM原理則是根據工作負載的有無(wú)來(lái)設置設備工作模式。
②在DVS中，設備的工作電壓是可變的，因此需要穩定的DC―DC電壓轉換電路；而在DPM中，設備的工作電壓處于恒定狀態(tài)。
③DVS一般應用于對任務(wù)執行時(shí)間要求比較嚴格的實(shí)時(shí)應用系統中，它能夠很好地解決嵌入式實(shí)時(shí)系統中性能與功耗的要求。而DPM由于內在的概率特性以及非確定性，不適用于實(shí)時(shí)系統，一般應用于非實(shí)時(shí)系統。
DVS與DPM之間的一致性體現在：如果將設備工作電壓的連續變化(或者離散變化)也看成是工作模式的變換，那么就可以將DVS包含在DPM的范疇之內。從該意義上來(lái)說(shuō)，DVS延伸了有效工作狀態(tài)的定義，即包括多個(gè)連續或者分散電壓值，這樣在運行期間就出現了若干個(gè)能夠在性能和功耗之間取得平衡的工作狀態(tài)。通過(guò)這種方法，PM在系統有負載時(shí)就可以使用DVS，而系統處于空閑時(shí)則將器件轉移到低功耗狀態(tài)(DPM應用)，這樣就能同時(shí)控制性能和功耗水平，從而得到更大的功耗節省。
通過(guò)上述比較分析可以看出，DPM與DVS兩者之間既存在著(zhù)差異性，同時(shí)也保持著(zhù)一致性，應該根據系統特點(diǎn)來(lái)合理選擇應用DPM與DVS。但是，當DPM和DVS對某個(gè)系統都適用時(shí)，應優(yōu)先考慮DVS，因為其能夠帶來(lái)更多的能耗節省。

結 語(yǔ)
以往的嵌入式系統設計主要涉及功能、穩定性、設計和生產(chǎn)費用等，系統功耗相對來(lái)說(shuō)是一個(gè)比較新的設計考慮因素。降低功耗主要是基于延長(cháng)手持設備中電池的壽命、降低芯片封裝和冷卻費用、提高系統穩定性和減小環(huán)境影響等方面的考慮，其重要性隨著(zhù)手持設備的普及而越來(lái)越突出。
盡管DPM和DVS技術(shù)在過(guò)去十幾年里都取得了很大的進(jìn)步，但在系統低功耗設計領(lǐng)域中有關(guān)最優(yōu)化設計和分析的研究空間仍然很大。例如，與電池相關(guān)的DVS策略還需要進(jìn)一步的研究。眾所周知，在電池供電系統中如果降低系統的工作電流或者工作電壓，將會(huì )導致電池容量的增加，這種現象在電壓調節的過(guò)程中應該加以利用。