基于先驗預知的動(dòng)態(tài)電源管理技術(shù)

關(guān)鍵詞：動(dòng)態(tài)電源管理 靜態(tài)預知方法 動(dòng)態(tài)預知方法

引言

電子系統可視為是種類(lèi)不同的元件集合，有些元件有著(zhù)固定的性能指標和耗能，這些元件被稱(chēng)為非電源管理元件；上反，有些元件可以在不同時(shí)間工作，并且有多種耗能狀態(tài)，相應地消耗著(zhù)不同的系統電能，這些元件稱(chēng)為可電源管理元件?？呻娫垂芾碓挠行褂贸蔀楣澥∠到y耗能，使整個(gè)系統在有限電能下長(cháng)時(shí)間工作的關(guān)鍵所在。

系統元件從一種耗能狀態(tài)到另一種耗能狀態(tài)往往需要一段時(shí)間，并且在這段時(shí)間內會(huì )消耗更多的額外能量。狀態(tài)的改變會(huì )影響系統的性能，所以設計者需要在系統節能和系統性能之間找到恰當的折衷切入點(diǎn)。本文介紹了動(dòng)態(tài)電源管理中的一些方法。這些方法將決定元件是否改變耗能狀態(tài)和何時(shí)改變。

1 動(dòng)態(tài)電源管理技術(shù)

“動(dòng)態(tài)電源管理”是動(dòng)態(tài)地分配系統資源，以最少的元件或元件最小工作量的低耗能狀態(tài)，來(lái)完成系統任務(wù)的一種降低功耗的設計方法。對于電源管理實(shí)施時(shí)間的判斷，要用到多種預測方法，根據歷史的工作量預測即將到來(lái)的工作量，決定是否轉換工作狀態(tài)和何時(shí)轉換。這就是動(dòng)態(tài)電源管理技術(shù)的核心所在――動(dòng)態(tài)電源管理方法。

動(dòng)態(tài)電源管理技術(shù)適用的基本前提是，系統元件在工作時(shí)間內有著(zhù)不相同的工作量。大多數的系統都具有此種情況。另一個(gè)前提是，可以在一定程度上確信能夠預知系統、元件的工作量的波動(dòng)性。這樣才有轉換耗能狀態(tài)的可能，并且在對工作量的觀(guān)察和預知的時(shí)間內，系統不可以消耗過(guò)多的能量。

2 電源管理

各個(gè)系統設備當接到請求時(shí)，設備忙；而沒(méi)有請求時(shí)，就進(jìn)入了空閑狀態(tài)。設置進(jìn)入空閑時(shí)，可以關(guān)閉設備，進(jìn)入低耗能的休眠狀態(tài)；當再次接到請求后，設備被喚起。這就是所謂的“電源管理”。然而，耗能狀態(tài)的改變是需要時(shí)間的，也就是關(guān)閉時(shí)延和喚起時(shí)延。喚起休眠狀態(tài)中的設備需要額外的能量開(kāi)銷(xiāo)，如圖1所示。如果沒(méi)有這項開(kāi)銷(xiāo)，也就用不著(zhù)電源管理技術(shù)了，完全可以只要設備空閑就關(guān)閉設備、這種時(shí)延和能量開(kāi)銷(xiāo)確定存在，所以必須考慮，只有當設備在休眠狀態(tài)所節省的能量至少可以抵得上狀態(tài)轉換耗能的情況時(shí)，才可以進(jìn)入休眠狀態(tài)。

電源管理技術(shù)是一個(gè)預知性問(wèn)題。應尋求預知空閑時(shí)間是否足夠長(cháng)，以及于能否抵得上狀態(tài)轉換的耗能開(kāi)銷(xiāo)?？臻e時(shí)間過(guò)短時(shí)，采用電源管理的方案就得不償失了。所以事先估計出空閑時(shí)間的長(cháng)短是電源管理技術(shù)中的首要問(wèn)題。定義“恰當的停止時(shí)間段”（tBE）：能達到系統節能的最短空閑時(shí)間段。此時(shí)間與設備元件本身有關(guān)，與系統發(fā)出的請求無(wú)關(guān)。假設狀態(tài)轉換延時(shí)t0（包括關(guān)閉和喚起延時(shí)）耗能為E0；工作狀態(tài)功率Pw，休眠狀態(tài)功率Ps，可由以下式求出tBE。

PwtBE=E0+Ps(tBE-T0)

等式左邊為“適合暫停時(shí)間段”內的耗能，也就是系統在這段用于節能的最短空閑時(shí)間內繼續工作所需能量；右邊是狀態(tài)轉換耗能和休眠時(shí)間內的系統耗能。tBE換和這段休眠時(shí)間內的系統耗能。電源管理技術(shù)就是要預知將要發(fā)生的休眠時(shí)間是否能夠大于tBE，只有大于它，設備才有休眠的必要。

3 基于先驗預知的動(dòng)態(tài)電源管理技術(shù)

對于大多數真實(shí)系統，即將輸入的信號是難以確定的。動(dòng)態(tài)電源管理的決策是基于對未來(lái)的不確定預知的基礎之上的。所有的基于預知的動(dòng)態(tài)電源管理技術(shù)的基本原理是探過(guò)去工作量的歷史和即將發(fā)生的工作量之間的相互關(guān)系，來(lái)對未來(lái)事件進(jìn)行可靠的預知。對于動(dòng)態(tài)電源管理，我們關(guān)心怎樣預知足夠長(cháng)的空閑時(shí)間進(jìn)入休眠狀態(tài)，表達如下：

p={tIDLE>tBE}

我們稱(chēng)預知空閑時(shí)間比實(shí)際的空閑時(shí)間長(cháng)（短）為“預知過(guò)度”（“預知不足”）。預知過(guò)度增加了對性能的影響；預知不足雖對性能無(wú)影響卻造成了能量的浪費。要是能既無(wú)預知過(guò)度又無(wú)預知不足，那就是一個(gè)理想的預知。預知的質(zhì)量取決于對觀(guān)察樣本的選擇和對工作量的統計。

3.1 靜態(tài)預知方法

固定超時(shí)法：最普遍的電源管理預知法，用過(guò)去的空閑時(shí)間作為觀(guān)察校本對象來(lái)預知當前空閑時(shí)段的總持續時(shí)間。此方法總結如下：空閑時(shí)鐘開(kāi)始，計時(shí)器開(kāi)始計時(shí)，超過(guò)固定超時(shí)時(shí)間tTO系統仍處于空閑，則電源管理使得系統休眠，直到接收到外界請求，標志著(zhù)空閑狀態(tài)的結束。能夠合理地選擇tTO顯然是這種方法的關(guān)鍵。通常在要求不高的情況下取tTO=tBE。

固定超時(shí)法優(yōu)點(diǎn)有二：①普遍適用（應用范圍僅限決于工作量）；②增加固定超時(shí)值可以減少“過(guò)度預知”（即預知時(shí)間比實(shí)際空閑時(shí)間長(cháng)）的可能性。但是其缺點(diǎn)也明顯：固定超時(shí)過(guò)大則將引起預知不足，結果不能有效的節省能量，相當多的能量浪費在等待超時(shí)上。

預知關(guān)閉法：此方法可以解決固定超時(shí)法中等待固定超時(shí)而耗費過(guò)多能量的問(wèn)題，即預知到系統的空閑可能性就立即關(guān)閉系統，無(wú)需等到空閑時(shí)間超過(guò)超時(shí)值。預知方法是對歷史工作量的統計上做的有肯定性估計。

Srivastave提出了兩種先驗關(guān)閉的方案。

①非線(xiàn)性衰減方程（φ）。此方程可由過(guò)去的歷史中得到。

t的上標表示過(guò)去空閑和工作時(shí)期的序號，n表示當前的空閑時(shí)期（其長(cháng)度有待于預知估計）和最近的工作時(shí)段。此方程表明了要估計將發(fā)生的空閑時(shí)期，要考慮到過(guò)去的空閑和工作時(shí)期。

如果tpred>tBE，那么系統一空閑就立即關(guān)閉。觀(guān)察樣本是

此方法的局限：

*無(wú)法自主決定衰減方程的類(lèi)型；

*要根據收集和分析的分散數據建立衰減模型，并且這些數據適合此衰減模型。

這些數據適合此衰減模型。

②極限方案。此方案基于一個(gè)極限。觀(guān)察樣本為緊挨著(zhù)當前空閑時(shí)期之前的工作時(shí)期，如果便認為空閑時(shí)期比前一個(gè)工作時(shí)期長(cháng)，則系統關(guān)閉。

注意：統計研究表明，短時(shí)間的工作時(shí)期后是長(cháng)時(shí)間的空閑期；長(cháng)時(shí)間的工作期后是短時(shí)間的空閑期。這樣的系統可以用極限法，如圖2所示。而短時(shí)期的工作期后是短時(shí)期的空閑期這種情況下就不能用些極限法?？傊?，對tthr的選擇尤為重要。

預知喚起法：可以解決固定超時(shí)方法中喚起時(shí)的性能損耗。當預知空閑時(shí)間超時(shí)后則系統喚起，即使此時(shí)沒(méi)有接收收到任何系統請求。使用此方法應注意的是，如果tidle被“預知不足”，則這種方法增加了能量的消耗，但同時(shí)也減少了等待接收第一個(gè)系統請求的時(shí)間，還是在一定程度上節省了能量，提高了系統性能。

3.2 動(dòng)態(tài)預知方法

由于動(dòng)態(tài)電源管理方法的最優(yōu)化取決于對工作量的統計，當工作量既未知又非靜態(tài)時(shí)，靜態(tài)預知方法就不是十分有效。因此，就有了動(dòng)態(tài)預知方法。對非靜態(tài)工作量有幾種動(dòng)態(tài)的預知方法。

①設定一套超時(shí)值，每個(gè)值與一個(gè)參數相關(guān)。此參數表明超時(shí)值選擇的準確性。此方法是在每一個(gè)空閑時(shí)間內，選擇這些超時(shí)值中最有效的一個(gè)值。

②此方法同樣有一些供選擇的超時(shí)值，分配給每個(gè)值一個(gè)“權”。此“權”是對過(guò)去相同要求下，采取此超時(shí)值帶來(lái)的滿(mǎn)意度為衡量對象抽象出的參數。實(shí)際采用的超時(shí)值是取所有被選超時(shí)值的權的平均。

③只采用一個(gè)超時(shí)值，當選擇此超時(shí)值后會(huì )引起許多不盡如人意的“系統關(guān)閉”后，再適當增加此值。當更多的“系統關(guān)閉”可以被接受了，則適當降低此值。

4 總結

動(dòng)態(tài)電源管理是降低電子系統耗能的有效設計方法。在電源管理系統中，不同元件的工作狀態(tài)要動(dòng)態(tài)地適應不同程度的性能要求，只有這樣才能最小化空閑時(shí)間浪費的能量或者無(wú)用元件浪費的能量。

設計能在一定性能限制下做到最小耗能的電源管理方案是最有挑戰性的。最基于的電源管理方法可參考方案――基于先驗預知，探索過(guò)去工作量的歷史和即將發(fā)生的工作量之間的關(guān)系，從而對限將發(fā)生的事件進(jìn)行可靠預知的方法。

動(dòng)態(tài)電源管理的應用還是原始粗糙的，因為其全部巨大潛力仍未被開(kāi)發(fā)；所接觸不同種類(lèi)元件的復雜性限制了設計者只能尋求簡(jiǎn)單的解決方法。我們將繼續研究相應的算法，以便能夠為動(dòng)態(tài)電源管理提供正確的模型，并在模型下確定系統電源管理的最佳方案。