CN101216727A - 嵌入式低功耗操作***中动态频率调整的映射方法 - Google Patents
嵌入式低功耗操作***中动态频率调整的映射方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种嵌入式低功耗操作***中动态频率调整的映射方法。提供了一种新的方法和技术用来建模、解决并进行优化嵌入式低功耗操作***中处理器频率动态调整时的映射问题。本发明通过利用处理器运行频率向上向下映射的方法将理论处理器最节能频率映射到实际可调节电压,以达到节能的目的,同时保证***的性能要求。该发明基于一个处理器频率映射模型,通过映射模型将理论处理器最节能频率映射到实际可调整的处理器频率。操作***在执行过程中,动态调频调压技术,根据性能要求和处理器运行情况确定处理器在当前性能要求下的理论最节能运行频率,然后通过映射模型映射到实际处理器频率,以达到节能目的。
Description
技术领域
本发明涉及基于嵌入式***软件节能技术,特别是涉及一种面向嵌入式低功耗操作***中动态频率调整的映射方法。
背景技术
在便携式嵌入式设备电源管理领域,目前的困难在于既要满足便携式终端对电源供电的要求,又要做到占用空间小、重量轻和供电时间更长。下一代消费类电子产品的电源解决方案重点应该集中在硬件和软件两方面技术,包括:(1)在小巧外形尺寸下,如何实现所需电源性能的工艺和技术,涉及热管理、降噪、电池管理和功能整合等技术;(2)动态功率管理技术,它取决于CPU性能、软件、中间件以及用户对更换电池的时间间隔等要求;(3)动态功率管理技术对操作***内核和驱动器,以及应用编程接口(API)对驱动器、中间件和应用本身的影响。
现在嵌入式设备的功能变得越来越强大,功能也越来越丰富。随着嵌入式设备功能越来越多,用户对嵌入式设备电池的能量需求也越来越高,现有的锂离子电池已经越来越难以满足消费者对正常使用时间的要求。对此,业界主要采取两种方法,一是开发具备更高能量密度的新型电池技术,如燃料电池,在可以预见的5年内,电池技术不可能有很大的突破;二是在电池的能量转换效率和节能方面下功夫。在目前新的高能电池技术(如燃料电池)仍不成熟的情况下,下一代手持设备的电源管理只能从提高电源利用率和降低功耗这二个方面着手。
如何延长电池的使用寿命,以及尽量减少电池能量的消耗已经成为嵌入式领域的一个研究热点。现在主要集中在硬件设计和软件优化两方面。其中软件优化方面现在主要包括***软件和应用软件两方面。***软件主要集中在编译器和操作***内核两块。
在操作***领域,现在主要的电源管理方法是利用操作***内核,动态的调整***处理器和总线的频率,降低***的整体能耗。而且***可以通过动态频率指令改变***状态,是***处于低功耗状态,以达到节能的目的。在编译器方面,现在主要通过编译器在编译应用程序阶段,对代码进行优化,使代码尽量的紧凑以及访问设备尽量集中,以达到节能的目的。
由于现在处理器一般都只支持非连续的频率调整,即处理器只支持一系列的特定频率,而通过以上电源管理方法获得的最优处理器频率并一定就是处理器支持的特定频率,不能直接运用到处理器上。需要通过一定的映射模型,将最优处理器频率映射到相应的处理器实际频率上。那么这就需要开发相应的映射方法,在保证***性能要求的同时,能够将最优处理器频率映射到相应的处理器实际频率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种嵌入式低功耗操作***中动态频率调整的映射方法。
本发明解决其技术问题采用的技术方案的步骤如下:
1)动态采集***事件:
硬件平台都具有性能监视模块PMU,PMU在整个***运行过程中采集运行事件发生数,包括处理器运行时频率,处理器内存缺失;
操作***通过指令对PMU设置,设置PMU采集事件的类型和采集事件发生数的上限值,当PMU每采集到一个需要采集的事件,PMU有个相应的计数器,这个计数器将加1;当采集到的事件发生数达到设置的上限值,PMU将发出一个中断,打断正在运行的程序;中断程序读取PMU采集到的各种事件发生数并累加到操作***保存的事件发生数值上;
在本发明中,要求PMU采集两种***事件,包括:处理器运行的指令数,处理器运行的空闲指令NOP数;
2)计算处理器理论最节能频率:
操作***通过定时器中断当前操作,操作***通过设置定时器的定时长度t来定时中断当前操作,定时器中断处理程序计算处理器在当前性能要求下的理论最节能频率;操作***根据PMU获取的事件发生数值,计算当前处理器的空闲比m;并将操作***保存的事件发生数清0;通过如下映射公式得到在当前性能要求处理器理论最节能频率:
f=P(m,x)=m×fmax×x
其中:
m是当前处理器的空闲比,m=NOP指令数/处理器运行的指令数,
x是当前性能要求,取值范围为0~1,
f为当前性能要求处理器理论最节能频率,
P(m,x)为映射公式,此映射公式将根据当前x和m参数获得最节能频率,
fmax为处理器的最高运行速度;
3)理论运行频率映射到实际处理器频率:
由于现在处理器一般都只支持非连续的频率调整,即处理器只支持一系列的特定频率,所以当操作***计算出当前性能要求处理器理论最节能频率f后,处理器并不一定支持,如果计算出的理论频率f正好是处理器支持的某个特定频率,那么操作***直接通过动态平率调整指令将处理器的运行频率设置为f,否则将通过如下公式在保证不影响运行性能的前提下将f映射到实际频率:
N/f=NH/fH+(N-NH)/fL
其中
N是在处理器频率f下定时器长度t的时间内完成可运行的时钟数,即N=f×t,
f是当前性能要求处理器理论最节能频率,
NH是处理器运行在频率fH下的周期数,
fH是处理器支持的特定频率,且fH大于f,
fL是处理器支持的特定频率,且fL小于f,
即f正好落入由fH和fL组成的区间内,且fH和fL之间的差值最小,根据处理器支持的特定频率,可以通过f值的大小,找到相应的fH和fL;然后通过公式计算出NH的值,这样就能知道为了将f映射到实际运行频率同时保证性能,任务需要在fH频率下运行的周期数NH,同时也就能够计算出在fL频率下运行的周期数N-NH;
通过上述公式,就可以将f映射到实际处理器频率fH和fL,同时保证性能不变;处理器就可以先将处理器频率调整到fH频率下运行NH周期,然后将处理器频率调整到fL频率下运行N-NH周期。
本发明与背景技术相比,具有的有益的效果是:
本发明通过利用处理器运行频率向上向下映射的方法将理论处理器最节能频率映射到实际可调节电压,以达到节能的目的,同时保证***的性能要求。该发明基于一个处理器频率映射模型,通过映射模型将理论处理器最节能频率映射到实际可调整的处理器频率。操作***在执行过程中,动态调频调压技术,根据性能要求和处理器运行情况确定处理器在当前性能要求下的理论最节能运行频率,然后通过映射模型映射到实际处理器频率,以达到节能目的。
(1)性能保证。应用程序在***中运行时,通过频率映射模型将理论处理器最节能频率映射到实际可调整的处理器频率,本模型具有一个前提就是保证***的性能。
(2)稳定性。操作***将动态调整***状态的权利掌握在自己手中,而不是下放给应用程序,这样***就能在兼顾全局的情况下动态调整***的状态,保证***的稳定。
(3)实用性。本发明可以尽量少的修改***的代码,达到节能目的,映射模型十分简单,易于实现。在经过反复的验证,这个方法可以很好的减少程序员的工作量,十分实用。
附图说明
附图是整个***工作的流程图。
具体实施方式
如附图所示,在实施嵌入式低功耗操作***中动态频率调整的映射方法时,操作***在调度过程中,考虑了性能和节能两个约束,将理论最节能处理器频率f映射到实际处理器频率。
1)动态采集***事件
现在流行的硬件平台都具有性能监视模块PMU,PMU可以在整个***运行过程中采集运行事件,包括处理器运行时频率,处理器内存缺失等;PMU都具有两个以上的寄存器用来保存采集到的事件发生数量;如Intel Xscale处理器上的PMU可以同时采集两个事件。
操作***可以通过特殊的指令对PMU设置,设置PMU采集事件的类型和采集事件发生数的上限值,当PMU每采集到一个需要采集的事件,PMU有个相应的计数器,这个计数器将加1也可以减1,这主要和所用的PMU特性有关;当采集到的事件发生数达到设置的上限值,PMU将发出一个中断,打断正在运行的程序;中断程序读取PMU采集到的各种事件发生数并累加到操作***保存的事件发生数值上;
以Intel Xscale处理器上的PMU为例,它有两个性能监视计数器PMN0和PMN1,用来针对***某类事件进行计数,所监视的事件在寄存器PMNC里面进行设置,同时在PMNO和PMN1中设置事件发生数,相应的事件每发生一次,对应的计数器加1,当PMN0和PMN1溢出时***将产生一个中断,PMNC也是一个32位的寄存器,它可以对所有的计数器进行归零操作,还可以对PMN0和PMN1所要监视的事件进行设置。
在本发明中,要求PMU采集两种***事件,包括:处理器内存缺失,处理器运行的指令数;
2)计算处理器理论最节能频率
操作***通过定时器中断当前操作,操作***通过设置定时器的定时长度t来定时中断当前操作,定时器中断处理程序计算处理器在当前性能要求下的理论最节能频率;操作***根据PMU获取的事件发生数,计算当前处理器的空闲比m;并将操作***保存的事件发生数清0;通过如下映射公式得到在当前性能要求处理器理论最节能频率:
f=P(m,x)=m×fmax×x
其中
m是当前处理器的空闲比,m=NOP指令数/处理器运行的指令数,
x是当前性能要求,取值范围为0~1,
f为当前性能要求处理器理论最节能频率,
P(m,x)为映射公式,此映射公式将根据当前x和m参数获得最节能频率,
fmax为处理器的最高运行速度;
P(m,x)为映射公式,此映射公式将根据当前x和m参数获得最节能频率,以Intel XcalePXA255为例,处理器的最高运行频率fmax为400MHZ,那么根据m和x可得到f=400×m×x,假设现在m为0.4而x为1就是性能最高的情况下,那么f=160MHZ。
3)理论运行频率映射到实际处理器频率
由于现在处理器一般都只支持非连续的频率调整,即处理器只支持一系列的特定频率,所以当操作***计算出当前性能要求处理器理论最节能频率f后,处理器并不一定支持,如果计算出的理论频率f正好是处理器支持的某个特定频率,那么操作***可以直接通过动态平率调整指令将处理器的运行频率设置为f,否则将通过如下公式在保证不影响运行性能的前提下将f映射到实际频率:
N/f=NH/fH+(N-NH)/fL
其中
N是在处理器频率f下定时器长度t的时间内完成可运行的时钟数,即N=f×t,
f是当前性能要求处理器理论最节能频率,
NH是处理器运行在频率fH下的周期数,
fH是处理器支持的特定频率,且fH大于f,
fL是处理器支持的特定频率,且fL小于f,
即f正好落入由fH和fL组成的区间内,且fH和fL之间的差值最小,根据处理器支持的特定频率,可以通过f值的大小,找到相应的fH和fL;然后通过公式计算出NH的值,这样就能知道为了将f映射到实际运行频率同时保证性能,任务需要在fH频率下运行的周期数NH,同时也就能够计算出在fL频率下运行的周期数N-NH;
通过上述公式,就可以将f映射到实际处理器频率fH和fL,同时保证性能不变;处理器就可以先将处理器频率调整到fH频率下运行NH周期,然后将处理器频率调整到fL频率下运行N-NH周期。以Intel Xscale为例,Xscale PXA255芯片支持4个特定频率,分别为400MHZ,300MHZ,200MHZ,100MHZ。假设现在f=340MHZ,t=10us,那么N=3400个周期。因为300<f<400,且300和400最接近f,那么可以得到fH=400,fL=300。通过公式N/f=NH/fH+(N-NH)/fL,可以计算出NH=1600个周期,而N-NH=1800个周期,即处理器在400MHZ下运行1600个周期,然后在300MHZ下运行1800个周期。
Claims (1)
1.一种嵌入式低功耗操作***中动态频率调整的映射方法,其特征在于该方法的步骤如下:
1)动态采集***事件:
硬件平台都具有性能监视模块PMU,PMU在整个***运行过程中采集运行事件发生数,包括处理器运行时频率,处理器内存缺失;
操作***通过指令对PMU设置,设置PMU采集事件的类型和采集事件发生数的上限值,当PMU每采集到一个需要采集的事件,PMU有个相应的计数器,这个计数器将加1;当采集到的事件发生数达到设置的上限值,PMU将发出一个中断,打断正在运行的程序;中断程序读取PMU采集到的各种事件发生数并累加到操作***保存的事件发生数值上;
在本发明中,要求PMU采集两种***事件,包括:处理器运行的指令数,处理器运行的空闲指令NOP数;
2)计算处理器理论最节能频率:
操作***通过定时器中断当前操作,操作***通过设置定时器的定时长度t来定时中断当前操作,定时器中断处理程序计算处理器在当前性能要求下的理论最节能频率;操作***根据PMU获取的事件发生数值,计算当前处理器的空闲比m;并将操作***保存的事件发生数清0;通过如下映射公式得到在当前性能要求处理器理论最节能频率:
f=P(m,x)=m×fmax×x
其中:
m是当前处理器的空闲比,m=NOP指令数/处理器运行的指令数,
x是当前性能要求,取值范围为0~1,
f为当前性能要求处理器理论最节能频率,
P(m,x)为映射公式,此映射公式将根据当前x和m参数获得最节能频率,
fmax为处理器的最高运行速度;
3)理论运行频率映射到实际处理器频率:
由于现在处理器一般都只支持非连续的频率调整,即处理器只支持一系列的特定频率,所以当操作***计算出当前性能要求处理器理论最节能频率f后,处理器并不一定支持,如果计算出的理论频率f正好是处理器支持的某个特定频率,那么操作***直接通过动态平率调整指令将处理器的运行频率设置为f,否则将通过如下公式在保证不影响运行性能的前提下将f映射到实际频率:
N/NH/fH+(N-NH)/fL
其中
N是在处理器频率f下定时器长度t的时间内完成可运行的时钟数,即N=f×t,
f是当前性能要求处理器理论最节能频率,
NH是处理器运行在频率fH下的周期数,
fH是处理器支持的特定频率,且fH大于f,
fH是处理器支持的特定频率,且fL小于f,
即f正好落入由fH和fL组成的区间内,且fH和fL之间的差值最小,根据处理器支持的特定频率,可以通过f值的大小,找到相应的fH和fL;然后通过公式计算出NH的值,这样就能知道为了将f映射到实际运行频率同时保证性能,任务需要在fH频率下运行的周期数NH,同时也就能够计算出在fL频率下运行的周期数N-NH;
通过上述公式,就可以将f映射到实际处理器频率fH和fL,同时保证性能不变;处理器就可以先将处理器频率调整到fH频率下运行NH周期,然后将处理器频率调整到fL频率下运行N-NH周期。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Open date: 20080709 |