嵌入式系统的动态电源管理架构

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。

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 *** 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 *** 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 *** 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。

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 *** 作系统的一个独立模块，但是应该和 *** 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 *** 作系统，更不是类似ACPI的电源管理控制机制。它其实是一个 *** 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： *** 作点(operaTIong point)、 *** 作状态(operaTIong state)、策略(policy)、约束(constraint)。

（1） *** 作点

在给定时间点上，系统运行在某个特定 *** 作点上。 *** 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 *** 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。 *** 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，而在核心电压的限制下，可变频CPU的工作频率不能超过一个最大值。对于支持多 *** 作点的嵌入式系统，当某个事件发生时，系统会从有一个 *** 作点切换到另一个 *** 作点。这样就需要定义一种机制，来管理不同 *** 作点的切换。对于这一点，会在后面的 *** 作点类型和设备管理中详细描述。在策略框架结构中， *** 作点是最底层的抽象对象。

在OMAP1612中包含两个内核：ARM926EJS和C5510（DSP）。ARM内核负责整个系统的管理、无线通信协议栈和应用程序的运行；DSP内核负责与无线通信相关的数字信号处理。其中，ULPD（Ultralow-Power-Device）模块提供了芯片级的电源管理机制，包括时钟、电压、省电模式的管理。UPLD分为三个不同的工作模式—Deep Sleep、Big Sleep和Awake，分别对应不同的能耗等级。TC(Traffic Controller)负责管理相关存储器接口。

（2） *** 作状态

如果把 *** 作点比喻为点的话， *** 作状态就是一个面。在多 *** 作点的系统下， *** 作状态与 *** 作点的关系是一对多的关系。引入 *** 作状态的动机主要有两个考虑。

①为了利用DVS和DFS，需要实时监控系统的工作负荷，但是工作负荷是一个连续值，而 *** 作点却是离散的。极端的情况下，可以为不同的工作负荷定主不同的 *** 作点：但是，由于硬件上改变频率和电压都存在延迟和多余的能量消耗，如果频繁地改变 *** 作点，效果却适得其反，因此需要对工作负荷的范围进行划分。在实际情况下，系统的工作负荷和 *** 作系统的状态紧密相磁。一般可以把 *** 作系统看作一个状态机， *** 作系统通过事件的触发，在没的状态音间切换。简单地，可以把 *** 作系统的状态与 *** 作状态一一对应。由于处于“空闲”和“调度”，对应不同的工作量范围，映射不同的 *** 作点。当然可以对“调度”状态再进行划分。

②作为功率监控的任务，它可以配置特定一个或者多个 *** 作点，但是为了维持底层硬件细节对任务的透明性，通过设置 *** 作状态来间接指定 *** 作点，体现了DPM构架的灵活性。为了满足这样的需求，DPM构架中引入了“任务状态（task state）”的概念。对于功率监控的任务来说，可以在自己的代码空间中，根据任务本身的运行状况设置该任务自己的任务状态，而任务状态作为特定的 *** 作状态在系统初始化的时候登记到DPM中。当在 *** 作系统任务上下文调度切换的时候，根据任务状态，直接调用DPM的相关例程，应用新的 *** 作状态；对于普通的任务，在“任务状态” *** 作中配置参数“NO STATE”。“ＮＯ　ＳＴＡＴＥ”表示没有特定的任务状态，即不改变系统当前的 *** 作点．那么，该任务的运行在上下文切换时，能保持原有的 *** 作状态。

由于要同时管理普通任务和功率监控任务，在上下文切换设置 *** 作状态的最低点必然会出现ＤＶＳ算法和应用频率监控任务状态的矛盾。为了解决这个问题，需要引入 *** 作状态优先级机制。在实现中，功率监控的任务状态对应的 *** 作状态优先级高于ＤＶＳ算法配置的 *** 作状态。这样，在上述矛质出现的时候，优先应用功率监控任务配置的 *** 作状态。

根据 *** 作系统运行的状态，简单地定义了五种 *** 作状态——空闲、任务－、任务＋、任务、睡眠，并且给出了 *** 作状态之间的状态迁移，如图１所示。特别地，当 *** 作系统处于中断状态时，并不为其定义特定的 *** 作状态，而是通过把中断处理例程的任务状态定义为“ＮＯ　ＳＴＡＴＥ”来实现。

    （３）策略和策略管理者

ＤＰＭ最高级的抽象对象是策略。定义一个策略就是定义每个 *** 作状态所映射的 *** 作点。在系统中，对某个电源管理方案必须至少定义一个策略，也可以根据不同情况不定期义多策略。在多策略电源方案中，需要策略管理器来协调不同的策略。策略管理器可以从 *** 作系统、用户调用、运行程序、物理设备收集信息从而作出策略决策。策略管理器的位置（用户空间和内核空间）、所收集信息的内容和形式以及相应的 *** 作，需要系统的ＤＰＭ设计者来定义和实现。

（４）设备管理和同等 *** 作点类

在ＤＰＭ架构中，策略管理者不会直接对设备的状态进行管理，而是通过底层的设备驱动来管理设备的能耗。在某个 *** 作状态下，映射一类可以在该状态下能被系统接受的 *** 作点。在该状态下，当某个睡眠的设备需要被唤醒的时候，通过驱动对ＤＰＭ声明约束（constraints），接着ＤＰＭ在这一类的 *** 作点中选择另外一个 *** 作点，使得该 *** 作点下，该设备能够正常工作，选择的机制可以在策略中定义。简单的方法是选择该类中合法的（满足约束条件）能耗最低的 *** 作点，或者是特别指不定期某个 *** 作点。

４　ＤＰＭ模块实现

在实时嵌入式 *** 作系统Ｎucleus微内核中实现了ＤＰＭ模块，采用的平台是基于ＴＩ　ＯＭＡＰ１６１２的ＴＤＳＣＤＭＡ无线终端参考设计（３２ＭＢ　ＤＤＲＡＭ，１７６×２２０　１６bpp TFT液晶显示屏，ＵＳＢ和其它外设）。图２是整合ＤＰＭ的 *** 作系统结构。

在ＤＰＭ模块中，整合了策略管理、功率监控调度器（power-aware scheduler）、工作负荷监控器、 *** 作状态管理器、 *** 作点管理、约束管理六个子模块。其中，功率监控调度器和工作负荷监控器嵌入到内核的上下文切换中，工作负荷监控器通过计算 *** 作系统处于空闲调度的时间和采样周期的比值来表征ＣＰＵ的工作负荷，然后把这个值传递给功率监控调度器，通过内部整合“动态减慢因子”ＤＶＳ算法，预测下一任务的工作负荷，并设置与之相对应的 *** 作状态。其它四个模块分别对构架中的抽象对象 *** 作点、约束、 *** 作状态、策略进行管理。特别地，策略管理的核心是策略管理者，它以一个独立线程的形式运行在内核空间。

５　结论

经过测试，整合ＤＰＭ的ＴＤ－ＳＣＤＭＡ无线终端平均能耗下降了５０％。其中在 *** 作点Ｈigh AcTIve时，电流为４００mA左右，而在 *** 作点Ｓleep时降到了２００mA左右；如果应用 *** 作点Ｄeep Sleep(关闭ＡＲＭ、ＤＳＰ和所有设备，维持一个３２kHz的时钟)电流甚至可以降到１０～２０mA，完全满足长时间待机。实验表明，利用ＤＰＭ构架，可以对３Ｇ无线终端实行之有效的动态电源管理。随着半导体技术、应用程序优化技术以及高粒度时钟门控和电压门控技术的发展，为提升嵌入式系统的有效能量供给率提供了可能。利用这些新技术继续开发和改进ＤＰＭ架构和实现，正是今后研究的方向和重点。