多核嵌入式系統的節能機遇與策略

　　節能策略

　　基于上述PSC制定出的自主硬件節能方案包括電源門(mén)控(數據不被保留)、時(shí)鐘門(mén)控(數據在正常操作時(shí)被保留)和DVFS(同步電壓及頻率調整)。DVFS僅用于整個(gè)內核，或類(lèi)似于DMS控制器、互連網(wǎng)絡(luò )、緩存體、輸入輸出緩沖器或FPU的片上計算單元這樣的一個(gè)芯片級組件(圖3)。但是，對于內核中的組件和芯片級組件而言，電源和時(shí)鐘門(mén)控均適用。圖4顯示了推薦的核內(局部電源管理)級和全局芯片級分層節能架構。在圖4中的虛線(xiàn)上方，局部電源管理單元在內核中運行，對電源狀態(tài)寄存器(PSR，與不同的PSC相關(guān))中的內容進(jìn)行監控，執行節能算法，以及對相應電源控制寄存器(PCR)當中的數值進(jìn)行修改以激活或關(guān)閉節能模式。片上模擬電壓調節器和時(shí)鐘調節器將讀取PCR中的內容，并通過(guò)讀取的數據對PSC上的DVFS、電源門(mén)控、時(shí)鐘門(mén)控進(jìn)行控制。請注意，LPMU并不直接控制整個(gè)內核中的節能單元(如DVFS)。反之，LPMU將通過(guò)內核控制狀態(tài)寄存器(CSR)向全局電源管理單元(GPMU)發(fā)送信號，CSR轉而通過(guò)內核控制寄存器(CCR)實(shí)現內核級節能。內核中的電源狀態(tài)寄存器通過(guò)陷阱邏輯和解碼器進(jìn)行更新，當需要進(jìn)行特定中斷服務(wù)或要對特定指令進(jìn)行解碼時(shí)，陷阱邏輯和解碼器將會(huì )發(fā)出PSC即將激活的信號。同樣，PSC也可以對自身的PSR進(jìn)行更新，從而在系統長(cháng)時(shí)間不工作(空閑或阻塞狀態(tài)，最好在內核中對其進(jìn)行局部監控)時(shí)發(fā)出即將節能的信號。

　　圖3：自主硬件節能邏輯的架構

　　圖4：全局電源管理單元

　　在圖4中的虛線(xiàn)下方及內核外部是芯片級GPMU，它將會(huì )讀取片上傳感器上熱點(diǎn)和電源接地噪聲(它們是全局可觀(guān)測現象)的數據，并為內核及其他芯片級組件做出相應的智能節能決定。GPMU通過(guò)內核狀態(tài)寄存器(CSR)和內核控制寄存器(CCR)與內核及其他組件進(jìn)行交互。整個(gè)內核的電源門(mén)控、時(shí)鐘門(mén)控以及DVFS通過(guò)GPMU進(jìn)行控制。圖5展示了GPMU的交互(CR和SR分別表示控制寄存器和狀態(tài)寄存器)。請注意，本文在邏輯上將所有芯片級組件都視為內核。

　　案例研究：英特爾迅馳中的節能

　　英特爾迅馳雙核處理器(Core Duo)局部采用了自主電源管理方案，它是英特爾公司針對移動(dòng)市場(chǎng)開(kāi)發(fā)的首款通用芯片多處理(CMP)商用嵌入式處理器。這種內核可實(shí)現兩個(gè)主要目標：首先，在平臺所能承受的最高溫度下實(shí)現性能的最大化;其次，電池的續航能力比前幾代處理器更強。

　　操作系統將英特爾雙核處理器視為兩個(gè)獨立的執行單元，但在與電源管理相關(guān)的所有操作中，平臺則將整個(gè)處理器視為單一實(shí)體。英特爾選擇將內核電源管理與整個(gè)CPU和平臺的電源管理分開(kāi)。為了實(shí)現這個(gè)目標，必須讓電源及溫度控制單元成為內核邏輯單元的一部分，而不是像以往那樣作為芯片組的一部分。將電源及溫度管理數據流遷移至處理器后，就可以采用一種允許所有內核根據自身需求請求節能狀態(tài)的硬件協(xié)調機制，從而最大化單個(gè)內核的節能效果。CPU將按照兩個(gè)內核請求中的最低標準確定并進(jìn)入相應的節能狀態(tài)，例如芯片組電源管理硬件和數據流的單一CPU實(shí)體。由此，軟件可以按照ACPI協(xié)議對每個(gè)內核單獨進(jìn)行管理，而實(shí)際的電源管理則遵守平臺和CPU的共享資源限制條件。多核處理器內核之間的相關(guān)性較復雜，內核對系統級參數的作用還不確定，而且ACPI電源管理協(xié)議也不是針對如此復雜的多核處理器而開(kāi)發(fā)的。因此，需要開(kāi)發(fā)一種新型的電源管理方案，這樣的方案必須能在新興的多核嵌入式處理器中將硬件節能邏輯和由操作系統控制的調度更好地整合到一起。

　　英特爾推出的雙核處理器被分割成三個(gè)域。內核、各內核的一級緩存以及局部溫度管理邏輯單元作為電源管理域獨立運行。此外，包括二級緩存、總線(xiàn)接口及中斷控制器在內的共享資源形成另一個(gè)電源管理域。所有域將共享同一個(gè)電源平面和同一個(gè)單核PLL，因此均在相同的頻率和電平下運行。與細粒度節能方案相比，這是一個(gè)基本限制。但是，每個(gè)域都有獨立的時(shí)鐘分配(主干(spine))。內核的時(shí)鐘分布主線(xiàn)單獨進(jìn)行門(mén)控，從而實(shí)現最基本的內核級節能方案。只有在兩個(gè)內核都處在空閑狀態(tài)且沒(méi)有共享操作(總線(xiàn)操作和緩存訪(fǎng)問(wèn))的情況下，才能對資源共享主干進(jìn)行門(mén)控。若需要，即使在兩個(gè)內核的時(shí)鐘都停止的情況下，也可以將資源共享時(shí)鐘保持在活躍狀態(tài)，以便進(jìn)行L2偵聽(tīng)和中斷控制器信息分析。英特爾Core Duo技術(shù)還引入了包括L2動(dòng)態(tài)調整在內的增強型電源管理特性。為了實(shí)現節能，系統必須進(jìn)入更低電壓的空閑狀態(tài)，而為了達到這一目的，必須動(dòng)態(tài)地調整/關(guān)閉L2緩存，從而為DeepC4狀態(tài)做準備。