朱超軍

（四川司法警官職業(yè)學(xué)院，四川 德陽 618000）

1 引言

隨著嵌入式技術(shù)的飛速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的功能變得日益強(qiáng)大。系統(tǒng)的高性能需要更大的能量消耗，這就必定縮短電池的供電時(shí)間。而電池技術(shù)的發(fā)展相對緩慢，有限的電池容量限制了系統(tǒng)的使用時(shí)間。如何提高系統(tǒng)部件的電源利用率，降低不必要的電能消耗，成為嵌入式領(lǐng)域中亟待解決的問題。

操作系統(tǒng)電源管理作為系統(tǒng)級電源管理的一種實(shí)現(xiàn)技術(shù)，在計(jì)算機(jī)功耗管理中擁有核心地位和優(yōu)勢。因?yàn)椴僮飨到y(tǒng)作為整個軟硬件系統(tǒng)的資源管理者，除了通過管理任務(wù)的調(diào)度執(zhí)行來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能和性能要求外，還能夠了解系統(tǒng)底層資源的狀態(tài)、中間層任務(wù)執(zhí)行的情況、以及上層應(yīng)用的需求和反饋，比其他軟件成分更適合對各種資源進(jìn)行需求監(jiān)視、預(yù)測、和控制，起到協(xié)調(diào)全局、控制管理的核心作用。

2 系統(tǒng)功耗

在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中直接消耗能量的是計(jì)算機(jī)硬件，包括處理器和存儲器等核心部件，也包括磁盤驅(qū)動器、網(wǎng)絡(luò)通訊端口和顯示設(shè)備等外圍輸入輸出部件。總體而言，系統(tǒng)中功耗分為數(shù)字電路功耗和模擬電路功耗，在嵌入式系統(tǒng)中數(shù)字電路功耗占整個系統(tǒng)功耗的主要部分。目前，功耗已成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最重要的制約因素之一。

2.1 硬件特性

為了滿足嵌入式應(yīng)用的低功耗需求，CPU和外圍設(shè)備大都考慮了低功耗特性，并提供了可編程控制的多種功耗工作模式。

對于硬件設(shè)備，如果提供了多種功耗工作模式，并能夠通過軟件編程的方法來實(shí)現(xiàn)工作模式之間的切換，就稱該硬件設(shè)備為可編程功耗管理的設(shè)備。

可編程功耗管理設(shè)備的目的在于提供功耗可以變化的工作模式。就CPU 來說，為達(dá)到低功耗目的，提供了多種功耗管理機(jī)制，如允許停止CPU時(shí)鐘，能夠使CPU 工作于多種時(shí)鐘頻率，CPU 中的模塊能夠被單獨(dú)停止工作。對于外圍設(shè)備，也大都提供了多種功耗工作模式，如睡眠模式，它能夠維持設(shè)備的基本功能；設(shè)備內(nèi)部時(shí)鐘保持運(yùn)行狀態(tài)的設(shè)備掉電模式，設(shè)備不能提供正常的功能；設(shè)備內(nèi)部時(shí)鐘停止運(yùn)行的設(shè)備掉電模式，設(shè)備不能提供正常的功能。

系統(tǒng)中的設(shè)備具有可編程功耗管理特性，是電源管理的基礎(chǔ)。在嵌入式領(lǐng)域中提出了系統(tǒng)工作的四種功耗模式--常規(guī)模式、空閑模式、休眠模式和睡眠模式。在不同的功耗模式下，系統(tǒng)的功耗也不同。根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前的活動狀況，確定出合適的工作功耗模式，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的低功耗目標(biāo)。

2.2 功耗模式

系統(tǒng)工作的不同功耗模式為：常規(guī)模式、空閑模式、休眠模式和睡眠模式。

常規(guī)模式：為通常的工作模式，系統(tǒng)的大部分操作都在此模式下運(yùn)行。在該模式下，CPU Core（指執(zhí)行任何計(jì)算相關(guān)操作都需要上電的硬件內(nèi)容，包括CPU時(shí)鐘、Cache，系統(tǒng)總線和系統(tǒng)定時(shí)器）和所有的外部設(shè)備都處于上電狀態(tài)，系統(tǒng)的功耗最大、性能也最好。

空閑模式：在該模式下，CPU Core 被關(guān)閉，而大多數(shù)外部設(shè)備則處于活動狀態(tài)。該狀態(tài)表示外部設(shè)備需要處于活動狀態(tài)，而CPU 則不需要處于活動狀態(tài)時(shí)的一種低功耗模式。如終端的LCD 需要顯示內(nèi)容，但該內(nèi)容在顯示過程中不需要發(fā)生變化的靜態(tài)顯示就屬于這種情況。在該模式下，沒有活動的任務(wù)，所有任務(wù)都處于掛起或停止?fàn)顟B(tài)。對于外部設(shè)備，則仍處于活動狀態(tài)，以便接收內(nèi)部或外部的事件。

休眠模式：在該模式下，CPU 中的大多數(shù)模塊和大多數(shù)外部設(shè)備處于掉電狀態(tài) (如LCD 和LCD 控制器)，而CPU Core 則仍處于運(yùn)行狀態(tài)。該模式下，仍保持處理一些對系統(tǒng)應(yīng)用是無效的外部事件而不需要切換功耗模式的能力，如用戶操作了觸摸屏上對應(yīng)用無效的輸入?yún)^(qū)域。

睡眠模式：為功耗最低的模式，只有系統(tǒng)實(shí)時(shí)時(shí)鐘處于活動狀態(tài)，CPU Core 和所有的外部設(shè)備都處于掉電模式。在該模式下，只有外部中斷能夠喚醒系統(tǒng)，并使系統(tǒng)首先進(jìn)入休眠模式，然后再進(jìn)入常規(guī)模式。

對于四種功耗模式，常規(guī)模式的功耗最高，空閑模式和休眠模式次之，睡眠模式最低。由于降低功耗主要是通過關(guān)掉一些暫時(shí)不用的設(shè)備來實(shí)現(xiàn)的，并且高功耗模式到低功耗模式的切換還需要保存一些必要的數(shù)據(jù)，因此，工作模式的功耗越低，要恢復(fù)到常規(guī)模式的時(shí)間也越長。

3 電源管理

電源管理（Power Management）泛指管理和控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中能量消耗的技術(shù)和方法。它研究計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的功耗屬性。它涉及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的每一個環(huán)節(jié)，研究內(nèi)容非常廣泛。

系統(tǒng)級的電源管理是在系統(tǒng)層面研究功耗與其他性能的關(guān)系，研究功耗與運(yùn)行速度、吞吐率、響應(yīng)時(shí)間、開發(fā)、估計(jì)成本、可靠性、使用壽命等其他性能的折衷，包括設(shè)計(jì)時(shí)功耗建模和優(yōu)化，也包括運(yùn)行時(shí)的功耗控制。在高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，其重點(diǎn)是在一定功耗限制下實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)其他性能的最大化。而在低端計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，其重點(diǎn)常常是在一定性能約束下實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功耗的最小化。

為簡化系統(tǒng)開發(fā)和管理，在大中型嵌入式系統(tǒng)中廣泛使用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)管理I/O 設(shè)備、處理器和內(nèi)存等硬件資源，為應(yīng)用軟件提供硬件抽象、實(shí)時(shí)資源管理和進(jìn)程間通訊與同步等功能。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)一方面是硬件的管理者，控制這些硬件資源的分配、調(diào)度和回收；另一方面又是系統(tǒng)中任務(wù)的管理者，可以獲得任務(wù)的執(zhí)行需求、截止時(shí)間和其他性能要求信息。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)在嵌入式系統(tǒng)中的獨(dú)特地位，決定了它在系統(tǒng)級功耗管理技術(shù)中擔(dān)當(dāng)重要角色。

4 動態(tài)電源管理DPM

嵌入式系統(tǒng)中許多部件具有多種休眠模式，如磁盤驅(qū)動器、通訊網(wǎng)卡、內(nèi)存等，這類部件也稱為功率可管理部件（Power Manageable Component，簡稱為PMC）。在空閑時(shí)PMC 可以一直保持就緒狀態(tài)，一旦服務(wù)請求到達(dá)立刻響應(yīng)請求。也可以切換到休眠模式，請求到達(dá)時(shí)先激活，而后再提供服務(wù)。

通過實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的許多部件大部分時(shí)間均處于空閑狀態(tài)。由于PMC 休眠模式的功耗比就緒模式低很多，系統(tǒng)可通過選擇性地將空閑PMC 設(shè)置為低功耗休眠模式，降低PMC 空閑時(shí)間的功耗。

把電源管理軟件和被管理的系統(tǒng)部件抽象為一個子系統(tǒng)，如圖1所示，由電源管理器（Power Manager）和它控制之下的PMC 構(gòu)成，其中電源管理器又包括監(jiān)視器和控制器。盡管系統(tǒng)級PM 可以由硬件實(shí)現(xiàn)，也可由軟件實(shí)現(xiàn)，但隨著系統(tǒng)復(fù)雜度的增加，越來越多的策略適合由操作系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。

DPM（Dynamic Power Management）是旨在優(yōu)化PMC 空閑時(shí)間功耗的電源管理技術(shù)。在操作系統(tǒng)中，電源管理器（Power Manager）實(shí)時(shí)監(jiān)視PMC 的運(yùn)行負(fù)荷，根據(jù)負(fù)荷變化，在滿足系統(tǒng)性能約束的條件下，動態(tài)調(diào)整PMC 的休眠深度，降低PMC 空閑時(shí)間功耗。

目前，按照采用的控制策略不同，DPM 大體可分為三類：超時(shí)策略DPM、預(yù)測策略DPM 和隨機(jī)策略DPM。

4.1 超時(shí)策略DPM

超時(shí)策略DPM 的基本思想是根據(jù)已觀察到的空閑時(shí)間數(shù)據(jù)確定一個時(shí)限值，一旦持續(xù)空閑時(shí)間超過這一時(shí)限，就切換到相應(yīng)休眠模式。

系統(tǒng)等待的空閑時(shí)間T 必須大于Tth。這種方法的特點(diǎn)是簡單但很不準(zhǔn)確，因?yàn)槿绻x取的T 值過大會失去一些節(jié)能的機(jī)會，使節(jié)能效果不好，而且在喚醒時(shí)性能降低。可采取預(yù)判斷的方法加以改進(jìn)，即在對系統(tǒng)已經(jīng)經(jīng)歷的空閑時(shí)間和工作的觀察基礎(chǔ)上，認(rèn)為系統(tǒng)的空閑時(shí)間將會大于Tth，那么系統(tǒng)一旦空閑就讓它進(jìn)入睡眠態(tài)，這樣可以減少浪費(fèi)的能量。另外，采用預(yù)啟動方法也可以改進(jìn)喚醒系統(tǒng)時(shí)性能降低的缺點(diǎn)。當(dāng)預(yù)測的空閑時(shí)間段結(jié)束時(shí)，即使沒有新的任務(wù),電源管理器也將系統(tǒng)從睡眠中喚醒。當(dāng)預(yù)測的空閑時(shí)間小于實(shí)際值時(shí)，這種方法會使功耗增加，但減小了系統(tǒng)相應(yīng)第一個到來任務(wù)的延遲。因此，應(yīng)該根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際需求來選取使用哪種方法。

超時(shí)策略DPM 的優(yōu)點(diǎn)是算法簡單通用，可通過控制時(shí)限值調(diào)整算法的響應(yīng)性能，廣泛應(yīng)用于硬盤、顯示器等部件的功耗管理中。但其缺點(diǎn)是不管空閑時(shí)間長短，都得等待一段時(shí)間才進(jìn)入休眠模式，造成一定的功耗浪費(fèi)。

4.2 預(yù)測策略DPM

預(yù)測策略DPM 在開始時(shí)依據(jù)一定規(guī)則對本次空閑時(shí)間長度進(jìn)行預(yù)測，一旦預(yù)測值超過特定切換閾值，在一開始就將PMC 切換到相應(yīng)休眠模式，否則保持就緒狀態(tài)。

Srivastava 提出兩種預(yù)測算法，一種采用非線性遞歸模型根據(jù)歷史服務(wù)和空閑的時(shí)間長度預(yù)測將來的空閑時(shí)間長度，該算法的缺點(diǎn)是遞歸系數(shù)在需要設(shè)計(jì)時(shí)確定。另一種算法是基于硬盤相鄰服務(wù)和空閑的時(shí)間長度具有“L 形”特征的觀察結(jié)果，即較長服務(wù)時(shí)間之后的空閑時(shí)間長度較短，而較短服務(wù)時(shí)間之后的空閑時(shí)間較長，當(dāng)算法檢測到服務(wù)時(shí)間小于特定時(shí)限值，則在下一空閑時(shí)間開始實(shí)施切換，該算法僅適用于具有“L 形”特征的應(yīng)用，而且服務(wù)時(shí)間時(shí)限值的確定非常關(guān)鍵。Hwang 采用常見的加權(quán)移動平均的時(shí)間序列預(yù)測方法，當(dāng)預(yù)測值小于切換閥值，PMC 在空閑時(shí)間開始保持就緒狀態(tài)，之后以切換閾值為周期進(jìn)行預(yù)測修正。

如果相鄰空閑時(shí)間長度具有明顯的規(guī)律性，預(yù)測保證了較高的準(zhǔn)確性，這時(shí)預(yù)測算法可以獲得很好的優(yōu)化效果。但在實(shí)際應(yīng)用中，這種規(guī)律很難把握，錯誤預(yù)測則帶來較大的功耗和響應(yīng)性能損失，不能保證實(shí)際優(yōu)化效果。預(yù)測策略DPM 另一個缺點(diǎn)是不能有效控制響應(yīng)延遲，進(jìn)行功耗和響應(yīng)性能之間的折衷控制，不適用于具有響應(yīng)性能約束的應(yīng)用。

4.3 隨機(jī)策略DPM

隨機(jī)策略DPM 將DPM 看成一個隨機(jī)優(yōu)化問題，利用隨機(jī)決策模型求解DPM 控制算法。動態(tài)電源管理優(yōu)化問題可以利用受控的Markov 過程來解決。其將系統(tǒng)負(fù)載和用戶請求抽象為離散時(shí)間Markov 決策過程模型，使得動態(tài)電源管理最優(yōu)化問題在多項(xiàng)式時(shí)間內(nèi)有解，而且提供了靈活的方法來處理降低能耗與性能損失的權(quán)衡問題。一些離散時(shí)間Markov 模型的擴(kuò)展方法也被提出，用來降低動態(tài)電源管理器的能耗。

基于隨機(jī)策略DPM 中，假設(shè)部件和工作負(fù)載都能用Markov 鏈建模。由此就可以對部件電源消耗和響應(yīng)（及狀態(tài)轉(zhuǎn)換）時(shí)間的不確定性，以及電源狀態(tài)、緩沖區(qū)、隊(duì)列等要素建模；并計(jì)算全局優(yōu)化的電源管理策略，以可控的方式在電源和性能之間進(jìn)行權(quán)衡。

Markov 模型包括：

服務(wù)請求者（Service Requester,SR），狀態(tài)集為R 的Markov 鏈，表示到來的系統(tǒng)服務(wù)請求。

服務(wù)提供者（Service Provider,SP），狀態(tài)集為S 的受控Markov 鏈，狀態(tài)表示系統(tǒng)的功耗狀態(tài)。狀態(tài)轉(zhuǎn)換是符合概率分布的，概率分布受控于電源管理器發(fā)出的命令。電源管理器（Power Manager,PM），實(shí)現(xiàn) SR狀態(tài)集和SP 狀態(tài)集到命令狀態(tài)集A 的函數(shù)f：S×R→A，是狀態(tài)轉(zhuǎn)換決策的抽象。PM 觀察系統(tǒng)和工作負(fù)載的狀態(tài)，決策并發(fā)出命令，控制系統(tǒng)的未來狀態(tài)。

代價(jià)矩陣：把由S×R×A 表示的系統(tǒng)狀態(tài)命令對和電源/性能權(quán)衡關(guān)聯(lián)起來。

一個簡單的用于電源管理的Markov 過程模型如圖2。SR 是雙態(tài)Markov 鏈，兩個狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換由圖2(a)中的有向邊表示。SP 也有兩個狀態(tài)（如圖 2(b)所示），S={on,off}。在電源管理器的命令控制下進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換。兩個命令分別是s_on 和s_off，分別表示開啟和關(guān)閉。但PM 發(fā)出命令時(shí)，SP 將會以一定的概率轉(zhuǎn)換為下一個狀態(tài)，概率僅僅依賴于命令、源狀態(tài)和目標(biāo)狀態(tài)。邊上的權(quán)值代表轉(zhuǎn)換概率，其值依賴于PM 發(fā)出的命令。隨機(jī)策略可以表示為一個把每個SP、SR 狀態(tài)與命令相關(guān)聯(lián)的表。例如，一個簡單的決策是：

f:{(0,on)→s_off,(1,on)→s_on,(0,off)→s_off,(1,off)→s_on}

為了實(shí)現(xiàn)策略優(yōu)化，SR 和SP 的Markov 鏈組合起來得到全局受控Markov 鏈。找到一個滿足給定性能約束下功耗最低的策略問題變成一個線性規(guī)劃問題，求解得到一個隨機(jī)策略。策略是非確定性函數(shù)，給定一個當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)，給每個命令關(guān)聯(lián)一個概率。發(fā)出的命令通過一個基于狀態(tài)依賴概率的隨機(jī)驗(yàn)證來選擇。

隨機(jī)策略DPM 的優(yōu)點(diǎn)是既可以確保功耗優(yōu)化結(jié)果，又可以有效控制響應(yīng)延遲。其缺點(diǎn)是假設(shè)服務(wù)請求服從已知的某種分布，從而限制了其適用范圍。

5 總結(jié)

系統(tǒng)功耗已經(jīng)成為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要制約因素之一，由于系統(tǒng)功耗的限制，嵌入式系統(tǒng)的持續(xù)工作時(shí)間、制造和運(yùn)行成本，設(shè)備的封裝體積、可靠性和使用壽命，以及高性能部件的使用，都受到嚴(yán)重影響。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，各種先進(jìn)的硬件功耗控制技術(shù)的出現(xiàn)，軟件方面的功耗管理技術(shù)已經(jīng)成為控制和優(yōu)化計(jì)算機(jī)系統(tǒng)功耗的重要手段，特別是操作系統(tǒng)級的電源管理技術(shù)逐漸成為降低嵌入式系統(tǒng)功耗的關(guān)鍵技術(shù)之一。

本文對嵌入式操作系統(tǒng)電源管理中的主要策略和實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了綜述，詳細(xì)討論了系統(tǒng)功耗模式，給出了電源管理策略DPM 的形式化的描述和分析，并簡單討論了嵌入式操作系統(tǒng)具有的電源管理架構(gòu)。

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