[信息与通信]第七讲-电源管理.ppt

嵌入式电源管理 主讲人：朱宗卫 Email:zhuzw@ 主要内容 低功耗背景 研究意义 能耗来源 能耗分布 低功耗解决方案 电路层次 体系结构层次 系统软件层次 应用软件层次 操作系统级别能耗控制 Linux操作系统下的能耗策略 低功耗-研究意义（1） 随着技术工艺的不断提高，晶体管尺寸不断减小，片上集成度越来越高，导致计算机系统的能耗问题日益突出，当前处理器的功耗密度(单位面积的硅片产生的功率量)已经基本与核反应堆相当[39]。高功耗造成处理器芯片局部温度过热，直接影响系统性能、能耗、成本、可靠性和寿命。 低功耗-研究意义（2） Market from PC to Digital Consumer, low-power is more critical！ New processors will provide higher MIPS/Watt. 低功耗-研究意义（3） 能耗越大导致温度上升越快。温度每升高10度，失效率MTBF就会翻倍 低功耗-研究意义（4） 对于电池供电的设备而言，低功耗设计更为重要 – e.g. laptop, cell phone and PDA 电池存储电池的能力已经跟不上其他设备发展的步伐 低功耗-能耗来源 低功耗-能耗分布(1) 低功耗-能耗分布(2) 低功耗-能耗分布(3) Compaq公司的PDA产品IPAQ 低功耗-能耗分布(4) 处理器≠CPU 处理器是系统功率消耗的主要来源 – 对于手持设备来讲，它几乎占据了除显示屏以外的整个系统功耗的一半以上 处理器功耗含： 内核功耗CORE 与供电电压和时钟频率相关 外部接口控制器功耗PI/O 各个专门I/O控制器功耗 总线功耗 地址和数据总线宽度 低功耗设计解决方案（1） 目前针对功耗研究主要集中在电路层次、体系结构层次、系统软件层次和应用软件层次。 电路层次功耗的研究 在文献[41]中通过调整晶体管宽度降低动态功耗； 文献[42]则通过重排晶体管来减少状态切换次数，降低功耗。 从硬件工艺角度为了降低功耗通常采用低功耗单元库设计[38]。 同步电路中的时钟树要消耗大量能量，例如国产通用CPU龙芯1号和龙芯2号的时钟树功耗分别占整个芯片功耗的30%和60%，可以采用门控时钟的技术进行节能降耗。 低功耗设计解决方案（2） 体系结构层次 主要集中在总线结构、存储器结构、Cache结构等领域。 总线结构低功耗设计的主要方法包含总线编码、低电压差总线、总线分割、隔绝总线、片上网络。 在存储器领域，通常为内存提供几种低功耗状态，在粗粒度上将Memory划分为不相容的bank，每个bank都可以独立的转换到不同的功耗模式，在细粒度上，每个bank再进行划分为多个sub-banks，一次内存访问只有访问到的sub-bank被激活，其他的处于非活动状态。 目前针对Cache Line[43]的体系结构级功耗研究，通常在cache活跃状态和关闭状态之间插入了半休眠状态。 低功耗设计解决方案（3） 系统软件层次 主要体现在操作系统和编译器。编译器可以获得代码的静态信息，这就为功耗和能耗控制提供了依据。 目前有很多研究都利用了编译器的帮助来降低功耗和能耗。如：利用编译器分析收集代码静态特征，为DVFS技术提供大量调频依据[2][3]等。 AbouGhazaleh等[1][2]在实时系统中，使用编译器把周期性程序等长分段，插入功耗管理点（PMP，Power Management Point）。任务每次执行到PMP时进行代码分析和处理器频率调整。在其后续的工作中[3][4]，编译器静态插入的代码改为功耗管理线索PMH（power-management hints），用于分析PMH之间代码的执行特征。由操作系统定时执行PMH代码，进行分析调频。 低功耗设计解决方案（4） 应用级 针对特定的应用，做功耗优化往往能达到很好的效果。 一个典型的例子就是文献[44]，作者通过对算法修改，可以按需调整结果精度，比如迭代求精算法，代码执行越久，精度越高，对应能耗越大。 类似还有考虑数据传输量与能耗的权衡，数据失真度和能耗的权衡[45]等等。针对视频能耗研究[5]通过合理调整缓冲区大小达到节能降耗的目的。交叉层次是指利用几个级别的低功耗技术综合考虑，选择出降低功耗的方法。 低功耗设计解决方案-操作系统级别 操作系统级研究意义 操作系统处在整个计算机系统的中间层次，相对其他研究层次来讲，操作系统层次既能够直接利用硬件提供的节能技术，又能够获取硬件执行和编译分析的信息，同时还可以监控软件执行的情况，了解用户的需求。同时大量研究成果表明，越高的设计层次所具有的节能空间越大[46]。 低功耗调研-OS级别研究现状（1） 研究现状 动态电源管理技术（硬件休眠技术）。最早采用的是动态电源管理