動(dòng)態(tài)電壓與頻率調(diào)節(jié)在降低功耗中的作用

摘要 目前，為了降低功耗，越來越多的芯片支持動(dòng)態(tài)電壓與頻率調(diào)節(jié)DVFS(Dynamic Voltage and Frequency Scaling)。本文列舉了基于軟件和硬件的DVFS實(shí)現(xiàn)，驗(yàn)證了DVFS在降低功耗方面的巨大潛力，并分析了影響DVFS應(yīng)用的一些因素。

關(guān)鍵詞 電源管理 動(dòng)態(tài)電壓與頻率調(diào)節(jié) CPU負(fù)載跟蹤 預(yù)測算法

1? DVFS的工作流程

　　現(xiàn)在，為了延長便攜式設(shè)備（如手機(jī)、MP3、多媒體播放器、筆記本電腦等）的電池壽命，芯片廠商們正在絞盡腦汁開發(fā)新的節(jié)電技術(shù)。簡單地說，這些節(jié)電技術(shù)可以分為兩類——?jiǎng)討B(tài)技術(shù)和靜態(tài)技術(shù)。靜態(tài)技術(shù)包括不同的低功耗模式，芯片內(nèi)部不同組件的時(shí)鐘或電源的按需開關(guān)等。動(dòng)態(tài)技術(shù)則是根據(jù)芯片所運(yùn)行的應(yīng)用程序?qū)τ?jì)算能力的不同需要，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)芯片的運(yùn)行頻率和電壓（對于同一芯片，頻率越高，需要的電壓也越高），從而達(dá)到節(jié)能的目的。該技術(shù)的理論依據(jù)是如下的公式：

　　從上面的公式可以看出，降低頻率可以降低功率，但是單純地降低頻率并不能節(jié)省能量。因?yàn)閷τ谝粋€(gè)給定的任務(wù)，F(xiàn)*t是一個(gè)常量，只有在降低頻率的同時(shí)降低電壓，才能真正地降低能量的消耗。

　　目前許多芯片支持DVFS，比如 Intel公司的芯片支持SpeedStep，ARM的支持IEM（Intelligent Energy Manager）和AVS（Adaptive Voltage Scaling）等。但是要讓DVFS發(fā)揮作用，真正地實(shí)現(xiàn)節(jié)能，只有芯片的支持還是不夠的，還需要軟件與硬件的綜合設(shè)計(jì)。

　　一個(gè)典型的DVFS系統(tǒng)的工作流程如下：

　　①? 采集與系統(tǒng)負(fù)載有關(guān)的信號(hào)，計(jì)算當(dāng)前的系統(tǒng)負(fù)載。這個(gè)過程可以用軟件實(shí)現(xiàn)，也可以用硬件實(shí)現(xiàn)。軟件實(shí)現(xiàn)一般是在操作系統(tǒng)的核心調(diào)用中安放鉤子，特別是調(diào)度器，根據(jù)其調(diào)用的頻度來判斷系統(tǒng)的負(fù)載。硬件實(shí)現(xiàn)如Freescale的i.Mx31，通過采集一些核心信號(hào)中斷線、Cache、內(nèi)存總線的使用情況等[1]，計(jì)算當(dāng)前的系統(tǒng)負(fù)載。
　　②? 根據(jù)系統(tǒng)的當(dāng)前負(fù)載，預(yù)測系統(tǒng)在下一時(shí)間段需要的性能。有多種預(yù)測算法可以選擇，要根據(jù)具體的應(yīng)用來決定。這種預(yù)測，既可由軟件實(shí)現(xiàn)，也可由硬件實(shí)現(xiàn)。
　?、? 將預(yù)測的性能轉(zhuǎn)換成需要的頻率，從而調(diào)整芯片的時(shí)鐘設(shè)置。
　?、? 根據(jù)新的頻率計(jì)算相應(yīng)的電壓。通知電源管理模塊調(diào)整給CPU的電壓。這需要特別的電源管理芯片，比如Freescale公司的MC13783或者NS公司的支持PowerWise特性的系列電源管理芯片。它們能夠支持微小的電壓調(diào)整（25 mV）并且能在極短的時(shí)間內(nèi)(幾十μs)完成電壓的調(diào)整。

　　另外，在調(diào)整頻率和電壓時(shí)，要特別注意調(diào)整的順序。當(dāng)頻率由高到低調(diào)整時(shí)，應(yīng)該先降頻率，再降電壓；相反，當(dāng)升高頻率時(shí)，應(yīng)該先升電壓，再升頻率。

　　圖1演示了簡單的DVFS過程[2]。

圖1? 基于預(yù)測的DVFS過程

2? 基于軟件的DVFS實(shí)現(xiàn)

　　在基于軟件的DVFS實(shí)現(xiàn)中，一般通過在操作系統(tǒng)的核心調(diào)用中安裝鉤子的辦法來收集系統(tǒng)調(diào)用的信息，判斷當(dāng)前的系統(tǒng)負(fù)載。其中最重要的是調(diào)度器，其他地方包括讀/寫接口、定時(shí)器等。例如，在Linux內(nèi)核中，一般在以下地方安裝鉤子。

　　◇ kernel/sched.c。修改__schedule()，在schedule()前和后插入語句，記錄一個(gè)任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間。
　　◇ fs/read_write.c。修改sys_read()和sys_write()，記錄其被某任務(wù)調(diào)用的次數(shù)。
　　◇ kernel/timer.c。修改sys_nanosleep()和msleep()，記錄任務(wù)主動(dòng)休息的時(shí)間。
　　◇ fs/ioctl.c。修改sys_ioctl()，記錄其被調(diào)用的次數(shù)。
　　◇ kernel/exit.c。修改do_exit()，記錄任務(wù)主動(dòng)退出的時(shí)間。
　　◇ include/asm_xxx/system.h, arch/xxx/system.c。修改arch_idle()，計(jì)算cpu_idle()線程被調(diào)用的時(shí)間。

　　在預(yù)測下一時(shí)間段的系統(tǒng)負(fù)載時(shí)，需要利用采集到的前面幾個(gè)時(shí)間段的實(shí)際負(fù)載值，然后根據(jù)下面的公式進(jìn)行預(yù)測：

　　根據(jù)h的不同，可以形成不同的預(yù)測算法，比如：

　　◇ 最簡單的先前值法（Previous Value,PV）

　　◇ 移動(dòng)平均負(fù)載算法（Moving Average Workload,MAW）

　　◇ 指數(shù)加權(quán)平均法（Exponential Weighted Average,EWA）

　　◇ 最小均方法（Least Mean Square,LMS）

　　以上這些算法各有其優(yōu)缺點(diǎn)。例如LMS算法類似于自適應(yīng)濾波器，能夠自動(dòng)調(diào)整參數(shù)，但是面臨著收斂速度的問題。

　　ARM公司為了驗(yàn)證其芯片的DVS（Dynamic Voltage Scaling，動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)）特性，開發(fā)的軟件Vertigo[3]中，采用了UH（Utilization History）算法，有關(guān)的公式如下：

　　◇ 任務(wù)負(fù)載

　　◇ 負(fù)載估計(jì)

　　◇ 期限估計(jì)

　　◇ 性能估計(jì)

　　該算法對那些性能需求變化較慢的任務(wù)比較實(shí)用，比如MPEG解碼器。

　　在Vertigo的實(shí)現(xiàn)中，一旦預(yù)測器完成性能預(yù)測，它將會(huì)把新的性能需求提交給策略管理器，由策略管理器決定是否調(diào)整當(dāng)前的性能設(shè)置。Vertigo的架構(gòu)如圖2所示。

圖2? Vertigo的架構(gòu)

　　具體實(shí)現(xiàn)可以參閱文獻(xiàn)[3]。

3? 基于硬件的DVFS實(shí)現(xiàn)

　　正如前面所說的，CPU負(fù)載跟蹤與性能預(yù)測的工作都可以由硬件完成。這樣，一方面增強(qiáng)了負(fù)載計(jì)算的準(zhǔn)確性；另一方面減輕了CPU用于負(fù)載跟蹤與性能預(yù)測的負(fù)擔(dān)。當(dāng)然，這樣做也有一個(gè)弊端，就是無法靈活地選擇預(yù)測算法。但是，這個(gè)缺點(diǎn)可以通過設(shè)置不同的預(yù)測參數(shù)得到一定程度的彌補(bǔ)。

　　飛思卡爾的i.MX31就是這樣的一個(gè)例子。這是一款針對移動(dòng)多媒體市場的應(yīng)用處理器，具有強(qiáng)大的音頻和視頻處理能力。該芯片內(nèi)部包含一個(gè)ARM11的CPU核，同時(shí)它也繼承了來自ARM的DVS技術(shù)并發(fā)展為DVFS。在該芯片中，CPU負(fù)載跟蹤和性能預(yù)測都是由硬件完成的，其負(fù)載跟蹤模塊框圖如圖3所示。

　　在圖3中，16路CPU活動(dòng)信號(hào)被采集之后，經(jīng)過加權(quán)，被送到負(fù)載疊加器，與另外采集的CPU空閑信號(hào)（經(jīng)過簡單平均）進(jìn)行疊加。疊加器輸出的結(jié)果被送到EMA模塊，執(zhí)行指數(shù)移動(dòng)平均（Exponential Moving Average）算法，進(jìn)行性能預(yù)測。EMA模塊得到的結(jié)果與預(yù)先設(shè)置的門限值進(jìn)行比較，如果預(yù)測的性能需求高于上限，則請求調(diào)高頻率；反之，如果預(yù)測的性能需求低于下限，則請求降低頻率。這種請求一般作為中斷，發(fā)送給CPU自身或外接的處理器，由它們在其中斷處理程序中設(shè)置相應(yīng)的頻率和電壓。圖4演示了整個(gè)處理流程。

圖3? i.MX31的DVFS負(fù)載跟蹤模塊框圖

　　在圖4中，CCM（Clock Control Module）為時(shí)鐘控制模塊，負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)CPU的頻率。PMIC（Power Management IC）為電源管理芯片，負(fù)責(zé)提供CPU所需要的電壓。該芯片提供兩種接口給CPU：常規(guī)的SPI（Serial Programmable Interface）和專用于動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)的DVS接口。該接口由兩根線組成。兩根線的狀態(tài)00表示電壓無變化，01表示電壓降低一格，10表示電壓升高一格，11表示電壓升到最高值。

圖4? i.MX31的DVFS處理流程

　　圖4中的DPTC（Dynamic Process and Temperature Control）指的是動(dòng)態(tài)制程與溫度控制。該技術(shù)能夠根據(jù)該芯片的制程和當(dāng)前的溫度動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)電源電壓，從而也可以有效地節(jié)省能量。這也是i.MX31的一項(xiàng)創(chuàng)新。

4? DVFS應(yīng)用的實(shí)際效果

　　為了驗(yàn)證DVFS的實(shí)際效果，需要在CPU上運(yùn)行相應(yīng)的應(yīng)用程序，并測量使用DVFS技術(shù)和不使用DVFS技術(shù)時(shí)CPU的功耗。這里，分別給出軟件實(shí)現(xiàn)的DVFS和硬件實(shí)現(xiàn)的DVFS在節(jié)省能量方面的實(shí)際測量數(shù)據(jù)。

　　Intrinsyc公司將ARM公司的IEM軟件移植到WinCE上[5]，并測量了IEM使能或禁止時(shí)的CPU功耗。軟件運(yùn)行在i.MX31的開發(fā)板上，但是因?yàn)樗鼪]有使用i.MX31內(nèi)置的DVFS，因此可以將其看作軟件實(shí)現(xiàn)的DVFS。在計(jì)算CPU負(fù)載時(shí)，采用了簡單移動(dòng)平均算法（即式（3）中的h恒為１/N）；同時(shí)，它通過一個(gè)GPIO來指示系統(tǒng)是否已經(jīng)進(jìn)入空閑狀態(tài)（cpu_idle()線程被調(diào)度）。如果Idle的比例越小，則表明CPU的利用率越高。表1和表2是實(shí)際的測量數(shù)據(jù)。

表1? IEM測試用的視頻文件信息

表2? IEM使能或禁止的功耗對比

　　為了驗(yàn)證硬件實(shí)現(xiàn)的DVFS的功效，作者在i.MX31的開發(fā)板上進(jìn)行了測量。所使用的操作系統(tǒng)是Linux。表3給出了實(shí)際的測量數(shù)據(jù)。

表3? i.MX31內(nèi)置的DVFS打開或關(guān)閉時(shí)功耗對比

　　從表3中可以清楚地看出，無論軟件實(shí)現(xiàn)的DVFS還是硬件實(shí)現(xiàn)的DVFS，都可以有效地降低能量消耗。

5? 影響DVFS應(yīng)用的因素

　　動(dòng)態(tài)電壓與頻率調(diào)節(jié)的技術(shù)提出很久了，在Linux上也有專門的開源項(xiàng)目cpufreq，但是這項(xiàng)技術(shù)并沒有得到廣泛的應(yīng)用。其中一個(gè)最關(guān)鍵的因素就是預(yù)測的可靠性。沒有一種預(yù)測算法是100%準(zhǔn)確的，也沒有一種算法可以應(yīng)用于所有的程序；而對于實(shí)時(shí)類的應(yīng)用（如音頻、視頻等），預(yù)測失敗的結(jié)果是不可接受的。因?yàn)閷?shí)時(shí)類的應(yīng)用都有一個(gè)Deadline，錯(cuò)過Deadline，就意味著程序的運(yùn)行出了問題。比如音頻或視頻幀的播放時(shí)間錯(cuò)過以后，用戶就能明顯地感覺到音頻或視頻的不連貫，這會(huì)極大地影響用戶的體驗(yàn)，從而也會(huì)影響用戶對DVFS的信心。作者在進(jìn)行DVFS的測試時(shí)，就碰到過這些問題。IEM測試中采用的簡單移動(dòng)平均算法只對單一應(yīng)用程序有效。但是i.MX31內(nèi)置的移動(dòng)指數(shù)平均算法EMA也不是萬能的。對于Pink Floyd的某些音樂，它就不能平滑地播放（也許通過修改一些加權(quán)參數(shù)，可以播放）。

　　但是作者相信，隨著預(yù)測算法的進(jìn)步，DVFS技術(shù)必將得到廣泛的應(yīng)用，因?yàn)樗軌蚬?jié)省很多能量。而節(jié)能對許多便攜式設(shè)備來說，常常是第一要求。

參考文獻(xiàn)

[1]? Freescale. i.MX31 Multimedia Application Processor Reference Manual. Rev 1. 2006-02.
[2]? Freescale. Boris Bobrov & Michael Priel, 6/2005, i.MX31Power Management White Paper. Rev 0.
[3]? Krisztian Flautner, et al. OSDI 2002, Vertigo: Automatic Performance-Setting for Linux. ARM.
[4]? Krisztian Flautner, et al. DesignConn 2003, A Combined Hardware-Software Approach for Low-Power SoCs: Applying Adaptive Voltage Scaling and Intelligent Energy Management Software.ARM.
[5]? Suji Velupillai,Ken Tough.? Intelligent Energy Manager (IEM) Benchmarking on a Freescale's i.MX31 Multimedia Processor. Intrinsyc,2006.

盧春鵬(工程師），主要研究方向?yàn)?a href="http://ttokpm.com/v/tag/2447/" target="_blank">嵌入式系統(tǒng)、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)、多媒體應(yīng)用。

（收修改稿日期：2007-01-15）