CN101067758A - 一种嵌入式***的能耗管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种嵌入式***的能耗管理方法，通过动态电源管理支持模块实现，包括策略管理模块、空闲探测模块、性能探测模块；所述策略管理模块在***层进行有效的电源管理，从而实现***的性能和功耗节省，其关注***的空闲状态和执行负载，根据***任务执行状态自适应的调整设备空闲时间，在空闲时间持续到一定程度时使***进入相应的低电源状态；所述空闲探测模块提供CPU和操作***的空闲信息，其监视空闲线程或者一个给定的工作负载在操作***里的活动，并给策略管理模块提供进行决策的参数信息；所述性能探测模块监视CPU利用率和主存的使用情况，为策略管理模块提供精确的执行负载信息。

Description

一种嵌入式***的能耗管理方法

                          技术领域

本发明属于嵌入式***能耗管理技术领域。特别是涉及一种嵌入式***的能耗管理方法。

                          背景技术

随着嵌入式技术的快速发展和广泛应用，嵌入式技术已与人们的日常生活紧密结合，不论是民用还是军用产品都对嵌入式***的应用提出越来越高的要求，但是性能的大幅度提高也带来了***能耗增加的问题。

在现有的嵌入式***低功耗实现技术中主要有分为静态低功耗和动态低功耗技术。静态低功耗技术主要是从硬件的角度设计电子元器件；动态低功耗技术是从软件的角度来实现的，主要是从操作***、编译器和嵌入式应用程序三个层次来实现对低功耗的优化设计。动态电源管理DPM(Dynamic Power，Management)技术提供一种操作***级别的电源管理能力，包含CPU工作频率和电压，外部总线时钟频率，外部设备时钟/电源等方面的动态调节、管理功能。通过用户层制定策略与内核提供管理功能交互，实时调整电源参数而同时满足***实时应用的需求，允许电源管理参数在短时间的空闲或任务运行在低电源需求时，可以被频繁地、低延迟地调整，从而实现更精细、更智能的电源管理。

然而无论是静态低功耗技术还是动态低功耗技术都没有从终端资源的有限性及应用程序本身的特点出发，往往存在技术复杂，低功耗效果不明显等缺点。

                          发明内容

本发明的目的在于针对现有的动态低功耗技术的不足，设计了一种嵌入式***自适应的动态能耗管理方法，它主要是考虑了终端资源的有限性以及应用程序本身的特点，针对处理器的低功耗设计和优化策略，应用程序参数设置变化对***资源需求的动态变化，实现嵌入式***的低能耗。

为了实现上述发明目的，采用的技术方案如下：

一种嵌入式***的能耗管理方法，通过动态电源管理支持模块实现，所述动态电源管理支持模块包括策略管理模块、空闲探测模块、性能探测模块；所述策略管理模块在***层进行有效的电源管理，从而实现***的性能和功耗节省，其关注***的空闲状态和执行负载，根据***任务执行状态自适应的调整设备空闲时间，在空闲时间持续到一定程度时使***进入相应的低电源状态；所述空闲探测模块提供CPU和操作***的空闲信息，其监视空闲线程或者一个给定的工作负载在操作***里的活动，并给策略管理模块提供进行决策的参数信息；所述性能探测模块监视CPU利用率和主存的使用情况，为策略管理模块提供精确的执行负载信息。

上述技术方案中，所述动态电源管理支持模块还包括用户接口模块，所述用户接口模块是介于应用层和策略管理模块之间，提供让用户输入参数来控制电源管理策略的接口。

所述动态电源管理支持模块还包括应用程序接口模块，用以注册设备应用程序，注册了包括设备的ID、用来对特定的设备进行功耗管理的处理函数、设备的工作频率以及对状态的敏感性信息。

本发明的嵌入式***能耗管理方法，能够根据嵌入式***各设备对资源需求的状态变化动态的调整处理器的工作电压和频率，最大化利用***的有限资源，提高***的可用性，使之能够高效、稳定地运行于嵌入式平台，既能满足对嵌入式产品的高性能需求，又能实现***的整体能耗较小。

本发明的技术要点包括：

(1)在嵌入式***的核心代码中增加DPM动态电源管理的全局变量，该全局变量表示当前***的能耗是否处于最优状态，也即是说，***是否在有限的可利用资源下***的性能最好功耗也较小。本发明通过设置动态电源管理全局变量DPMOperatingPoint来设置定义了操作***五种参数，包括处理器的状态、处理器核心电压、处理器核心频率、***总线频率以及存储器总线频率。

(2)需要编写符合DPM API的应用程序接口库，通过这些接口把嵌入式***中各设备驱动程序注册到DPM软件中，控制各设备电源管理事件的状态。

(3)定义三个函数Init(void)、Exit(void)、GetState()，分别进行空闲探测模块的初始化、中止和清除、获取当前***的空闲信息等操作。

(4)性能探测模块的应用程序接口与DPM软件共享相同的数据结构DPMPMUInfo，记载性能探测模块和策略管理模块之间相互交流的信息。

(5)策略管理模块实现了一种动态电源管理自适应控制算法，根据***外部资源的动态变化自适应地调整供电电压和频率，最大化***的性能同时使***的能耗最小。

本发明的关键技术点在于是动态电源管理支持模块如何获取整个嵌入式***各应用模块的需求信息，并整合这些信息做出相应的电源策略选择。

本发明主要考虑了终端资源的有限性以及应用程序本身的特点，针对处理器的低功耗设计和优化策略，应用程序参数设置变化对***资源需求的动态变化，实现嵌入式***的低能耗。

                          附图说明

图1为动态电源管理方法总体架构逻辑示意图；

图2为动态电源管方法任务控制流程示意图；

图3为动态电源管方法自适应处理流程示意图；

图4为自适应动态电源管理算法控制执行流程示意图。

                       具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施做进一步的详细描述。

附图1展示了DPM动态电源管理方法总体架构的逻辑结构，该图显示了为实现***的功耗管理对内核以及驱动程序所作的改动。

(1)序号11：在操作***提供给应用程序的POSIX接口，增加了DPM API用以注册设备应用程序，通过注册使驱动程序能在电管理事件发生时有所响应。它主要注册了包括设备的ID、用来对特定的设备进行功耗管理的处理函数、设备的工作频率以及对状态的敏感性信息。当电源参数改变的时候，可以把这些信息提供给驱动程序，让驱动程序可以为未决的转换作好准备，必要时可以否决转换。

(2)序号12：由于动态电源管理***主要是通过策略管理模块综合其他各模块获得的***以及应用信息来选择电源管理决策，所以必须提供相应的特殊***函数来完成这些处理，DPM核心支持模块只要包括dpm_start、dpm_int、SET_SPM_INT、UNSET_SPM_INT、dpm_event、mach_update_init.其中，dpm_start开启DPM模块，dpm_int初始化DPM模块，SET_SPM_INT设置DPM中断位，UNSET_SPM_INT，清除DPM中断位，dpm_event发出CPU中断，mach_update_init响应中断请求。

(3)序号13：DPM客户端驱动程序可以直接或通过操作***的电源管理服务与DPM策略管理模块进行协作，并将这个状态映射到处理器的电源模式。

附图2展示了动态电源管理***的任务控制执行流程，主要描述了动态电源管理支持模块各核心组成模块之间的交互信息。

(1)序号21：应用程序在DPM中完成注册，包括设备的ID号、功耗管理处理函数、设备的工作频率以及对状态的敏感性信息。

(2)序号22：定义用户接口模块，用来控制策略管理模块的一些输入参数，并定义一些DPM软件中注册的设备驱动程序接口，策略管理模块通过这些接口来实现对操作***已有电源模式的控制。定义了DPMRegisterDevice、CallBack、DPMAddDevice、DPMDeRegisterDevice、DPMRemoveDevice五个函数，其中DPMRegisterDevice功能是在DPM模块中注册嵌入式***各设备的驱动程序，CallBack回调函数与DPM模块进行通讯，DPMAddDevice在DPM中添加设备，DPMDeRegisterDevice在DPM中取消设备的注册，DPMRemoveDevice移除由DPMAddDevice添加的设备。

(3)序号23：策略管理模块调用应用程序接口与空闲探测模块通讯。其中调用函数DPMIdleProfilerInit来完成空闲探测模块的初始化；调用函数DPMIdleProfileExit停止空闲探测模块的运行并完成清除工作，空闲探测模块停止作用后策略管理模块不再收到来自空闲探测模块的任何消息；调用函数DPMIdleProfilerGetState来获取当前***的Idle信息。

(4)序号24：性能探测模块主要监视CPU的利用率和主存的使用情况。主要定义了三个函数：PP_START性能探测开始；PP_STOP性能探结束；PP_SAMPLE单次采样事件。中断控制器把性能探测器探测到的***信息通知给设备驱动程序，驱动程序把获取的采用信息通过中断控制器传输给性能探测控制器，由性能探测控制器把这些信息提交给策略管理模块，进行电源管理的自适应决策。

(5)序号25：自适应处理模块是实现资源***控制的关键模块，同资源密切相关。考虑到***的开销和灵活性本发明设计针对某一类资源(应用程序)对应一个自适应处理模块，以对***的某类资源进行自适应处理，如CPU自适应处理模块，对网络相关资源进行处理的网络自适应处理模块等。它由两个模块组成：自适应处理任务和观察任务。自适应处理任务作为目标任务的控制器，根据观察任务观察到的日标任务的状态，通过控制算法确定分配给目标任务的资源数量。

附图3展示了自适应处理模块的结构图，通过自适应处理模块获取当前可用电量信息，并做出相应的适应处理使应用的运行情况与当前的可用电量相适应。

(1)步骤31：目标任务的状态是目标任务的内部参数，主要反映目标任务中资源消耗的动态特征。

(2)步骤32：自适应处理任务作为目标任务的控制器，根据观察任务观察到的目标任务的状态，通过控制算法确定分配给目标任务的资源数量。

(3)步骤33：观察任务主要是观察目标任务的实时状态。

附图4展示了嵌入式***自适应动态电源管理算法，该算法是基于设备级的DPM算法(DLDPMA)，它针对嵌入式***外界服务请求的随机性以及环境资源的可动态变化(比如无限通讯网络短暂的信号衰减以及电池供电能量的变化)的特点，利用处理器空闲时间的历史信息，以及其将来状态的相关信息，自适应的预测处理器的空闲时间，并随着模式切换对处理器的工作电压进行自适应的调整，从而提高了处理器的利用率并节省了***功耗。

本发明中的控制算法主要是这样一种设计思想，就是在自适应动态电源管理***中，算法实现的目标任务根据输入请求一定的资源并进行一系列操作，以产生输入信息。如果请求的资源得到满足，称该请求为被接受的请求，任务成功获得该资源；如果请求暂时不能得到满足，则称该请求为未被接受的请求，任务或者在不需要该资源的情况下继续执行，或是处于等待状态，直到资源可用。这种算法实现了在多任务的CPU资源分配中，能够保证任务在资源较丰富的情况下执行任务的完整工作，也能在资源不足时改善任务的截止时间满足情况，从而获得比较稳定的***性能。

主要实现的操作主要有：

(1)启动多任务嵌入式***应用后，由应用把需要的资源情况(包括对CPU、***设备的需求等)发送给电源管理任务；

(2)电源管理任务对CPU进行降频或升频处理，把不需要的设备降低到最低功耗模式，把需要的设备升到正常工作模式；

(3)通过***的自适应处理模块获取当前可用电量信息，并作为相应的自适应处理使得应用的运行情况与当前的可用电量相适应。

假嵌入式如***中有N个周期性独立的可抢占实时任务，记任务集为T＝{T_i|1≤i≤N}，任务T_i用三元组(T_i，C_i，D_i)表示，其中，T_i是执行周期，C_i是任务的最差执行时间，D_i是表示任务的时限，有T_i＝D_i。处理器的有M个可调节频率(包括时钟频率和处理器的速度)，{f₁，f₂，...f_M}，任务以频率f_k运行时就称任务以速度k级运行。假定所有任务的任一运行级别的最差执行时间和能量消耗都是已知的，t_i，j表示任务T_i以j级运行时的执行时间，e_i，j表示任务T_i以j级运行时的功耗，v_i示任务T_i的回报或利用率。***的性能通过***运行的所有的任务的整体性能来衡量，算法的目标是找到这样一个任务子集S{1，2，...，N}，使得***的性能∑_i∈sv_i达到最大化。

定义S集中的所有任务i都以s_i级运行，si∈{1，2，，...，M}。且整个***的任务，必须满足两点：(1)时间约束。任一被调度执行的任务都必须在截止期限D之前完成；(2)能量约束。运行任务所消耗的能量不能超过***中可用的总能量E_max。

这样，集合S和运行级s_i，就是i∈S，S{1，2，...，N}，s_i∈{1，2，...，M}，满足： $\underset{i\∈S}{\mathrm{\Σ}}t(i,s_i)\≤D$ 和 $\underset{i\∈S}{\mathrm{\Σ}}e(i,s_i)\≤E,$ 且使得，∑_i∈Sv_i取得最大值的S和s_i。显然这是一个NP-难问题，问题可以转化为寻找一个近似最优化的策略问题。

对于这类问题，以前的算法总是假定能一直连续进行任务调度，不考虑任务时间以及***能耗约束，这样，***资源的利用率不高。而能耗管理算法必须考虑因***资源的动态变化来调整***任务的调度需求，使***的性能在有限的资源供给下，达到最大化。

本发明的自适应动态电源管理功耗算法，是根据***资源和服务请求的变化，通过添加、删除调整任务的执行速度等操作来动态的更新实时调度集中的任务，选取最优调度。定义参数如下：假定i∈{1，2，...，N}，j∈{1，2，...，M}，v(i)表示***回报率或任务利用率；t(i，j))表示任务的运行时间；e(i，j)表示任务的能量需求；两个布尔序列：selected(i)和considered(i)来表示调度任务的状态存储信息；两个变量：任务调度总的执行时间time＝∑_i∈st(i，s_i)，调度消耗的功耗为energy＝∑_i∈se(i，s_i)；用V存储当前任务调度集中任务使用率的集合，V＝∑_i∈Sv(i)，SV存储当前V的最大值，表示任务利用率最高的调度；speed(i)表示所有任务速度的集合。

算法步骤描述：

初始化***参数。初始时，置***的调度队列为空(selected(i)＝false)，没有调度任务(considered(i)＝false)，energy＝0，time＝0，SV＝0，V＝0。对于调度任务集中的某一调度任务，如果满足时间约束的条件且SV＜V，那么，记录这一调度，并置SV＝V。

对于某一调度中的任务集，根据***的资源变化，为了实现***在有限的资源供给下不仅不影响***的调度并保证***的性能最大化利用，要实时更新调度集中的任务，增加能实现***性能优化的任务调度，删除任务集中影响***性能的任务，根据需要调整处理器的工作电压或者频率，来调节任务的执行速度。算法的实现中主要涉及到三个操作：添加任务、删除任务和调节速度，且对已经删除的任务不能再被添加到调度任务集中。

添加任务。可添加到当前调度集中的任务，一般是执行时间短且能耗较低。必须满足的条件：(1)该任务未被调度失败或删除过；(2)当前调度是可调度的；(3)当前调度以最小的速度执行时，能耗预算energy+e(i，1)不超过***能够提供的能量最大值E_max；(4)在满足以上条件的任务中，调度能使

取得最大值的任务；完成添加任务后，转到第2步；

提升调度任务的运行速度。任务添加完毕，如果已没有任务可调度到当前调度集中时，提高可调度任务的运行速度，任务执行完毕，以备开始新的调度。任务满足的执行条件为：必须是当前调度集中可调度的任务；不能以峰值运行(s_i≠m)；energy+e(i，s_i+1)-e(i，s_i)；单位时间内状态转换功耗最低(即的比值最小)，然后，转到第2步；

删除任务。如果前两步操作(添加任务和提高任务速度)没有成功，则在运行的任务队列中删除此任务。然后，转到步骤2操作。被执行删除操作的任务应满足的条件：是当前调度集中的任务；在已添加的所有调度任务中，使得

的比值最小的任务。

SV中使得V最大的任务调度为最优调度。

Claims (7)

1、一种嵌入式***的能耗管理方法，通过动态电源管理支持模块实现，其特征在于所述动态电源管理支持模块包括策略管理模块、空闲探测模块、性能探测模块；

所述策略管理模块在***层进行有效的电源管理，从而实现***的性能和功耗节省，其关注***的空闲状态和执行负载，根据***任务执行状态自适应的调整设备空闲时间，在空闲时间持续到一定程度时使***进入相应的低电源状态；

所述空闲探测模块提供CPU和操作***的空闲信息，其监视空闲线程或者一个给定的工作负载在操作***里的活动，并给策略管理模块提供进行决策的参数信息；

所述性能探测模块监视CPU利用率和主存的使用情况，为策略管理模块提供精确的执行负载信息。

2、根据权利要求1所述的嵌入式***的能耗管理方法，其特征在于所述动态电源管理支持模块还包括用户接口模块，所述用户接口模块是介于应用层和策略管理模块之间，提供让用户输入参数来控制电源管理策略的接口。

3、根据权利要求1所述的嵌入式***的能耗管理方法，其特征在于所述动态电源管理支持模块还包括应用程序接口模块，用以注册设备应用程序，注册了包括设备的ID、用来对特定的设备进行功耗管理的处理函数、设备的工作频率以及对状态的敏感性信息。

4、根据权利要求1所述的嵌入式***的能耗管理方法，其特征在于所述动态电源管理支持模块还在嵌入式***的核心代码中增加动态电源管理的全局变量，所述全局变量定义了操作***五种参数，包括处理器的状态、处理器核心电压、处理器核心频率、***总线频率以及存储器总线频率，通过该全局变量的参数设置表示当前***的能耗是否处于最优状态。

5、根据权利要求1所述的嵌入式***的能耗管理方法，其特征在于所述策略管理模块采用了一种动态电源管理自适应控制算法，根据***外部资源的动态变化自适应地调整***的CPU供电电压和频率，在最大化***的性能同时使***的能耗最小。

6、根据权利要求5所述的嵌入式***的能耗管理方法，其特征在于所述动态电源管理自适应控制算法，是根据***资源和服务请求的变化，通过添加、删除调整任务的执行速度来动态的更新实时调度集中的任务，选取最优调度。

7、根据权利要求6所述的嵌入式***的能耗管理方法，其特征在于所述动态电源管理自适应控制算法的实现过程如下：

假定i∈{1，2，...，N}，j∈{1，2，...，M}，v(i)表示***回报率或任务利用率；t(i，j)表示任务的运行时间；e(i，j)表示任务的能量需求；selected(i)和considered(i)来表示调度任务的状态存储信息；任务调度总的执行时间time＝∑_i∈st(i，s_i)，调度消耗的功耗为energy＝∑_i∈se(i，s_i)；V存储当前任务调度集中任务使用率的集合，V＝∑_i∈sv(i)，SV存储当前V的最大值，表示任务利用率最高的调度；speed(i)表示所有任务速度的集合；

第一步骤，初始化***参数；

置***的调度队列为空selected(i)＝false，没有调度任务considered(i)＝false，energy＝0，time＝0，SV＝0，V＝0；对于调度任务集中的某一调度任务，如果满足时间约束的条件且SV＜V，那么，记录这一调度，并置SV＝V；对于某一调度中的任务集，根据***的资源变化，为了实现***在有限的资源供给下不仅不影响***的调度并保证***的性能最大化利用，要实时更新调度集中的任务，增加能实现***性能优化的任务调度，删除任务集中影响***性能的任务，根据需要调整处理器的工作电压或者频率，来调节任务的执行速度；

第二步骤，添加任务；

可添加到当前调度集中的任务，必须满足如下条件：

(1)该任务未被调度失败或删除过；

(2)当前调度是可调度的；

(3)当前调度以最小的速度执行时，能耗预算energy+e(i，1)不超过***能够提供的能量最大值E_max；

(4)在满足以上条件的任务中，调度能使

取得最大值的任务；完成添加任务后，转到第二步骤；

第三步骤，提升调度任务的运行速度；

任务添加完毕，如果已没有任务可调度到当前调度集中时，提高可调度任务的运行速度，任务执行完毕，以备开始新的调度；

任务满足的执行条件为：必须是当前调度集中可调度的任务；不能以峰值运行，即s_i≠m；energy+e(i，s_i+1)-e(i，s_i)；单位时间内状态转换功耗最低，即

的比值最小，然后，转到第二步骤；

第四步骤，删除任务；

如果第一和第二步骤的操作没有成功，则在运行的任务队列中删除此任务，然后，转到第二步骤操作。

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