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几种实时嵌入式系统DVS策略的分类比较

2013-04-23 07:28
九一隐士
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  随着CMOS制造工艺技术的不断提升以及嵌入式系统软硬件构架的不断更新,各种嵌入式设备如移动电话,MP4播放器,数码相机等性能都获得了大幅的增长。然而,伴随着性能的改善,能耗问题越来越成为关注的焦点。电池技术相对落后性能增长的实际情况要求我们不得不将注意力集中到在移动嵌入式设备有限的电池电量条件下,如何最大限度地降低系统功耗以延长有效使用时间,并且在有实时性要求的设备中,如何满足任务截止时间限。

  在所有移动终端中,处理器是整个系统的核心部件,它的性能与功耗情况直接影响到嵌入式设备的运行状况。目前,两种主流的降低系统功耗的方法是: ①设备关闭,也就是通常我们所说的动态电源管理(Dynamic PowerManagement—DPM)和②设备减速,也就是我们将要分析的动态电压调节(Dy2namic Voltage Scaling—DVS)。通过处理器调度关闭闲置设备,如内存、硬盘、显示器、I/O接口等可以有效的降低系统功耗,然而大部分情况下,我们很难实现对这些设备的频繁操作,并且考虑关断开销更让DPM技术只存在理论价值。然而,DVS技术则根据电压和功耗之间的关系,运用处理器动态调节特性,既满足任务截止时间限,又通过调节电压和频率实现系统功耗的降低。

  本文中,我们将在第1部分中引入DVS策略的模型基础,介绍DVS技术实现功耗降低的基本原理。在第2部分中,将根据第1部分中提到的策略模型,对关键DVS算法进行分类比较。相关算法的仿真将在第3部分中进行描述。最后,第4部分对实时嵌入式系统DVS策略进行总结。

  1、实时DVS策略模型

  纵观实时系统下DVS策略,不难发现绝大多数策略都基于两大影响因素,其一,动态电流功耗,其二,结合漏电流功耗的总功耗。前者是早期大部分文章研究的重点,而后者则在近几年DVS策略的研究中占有越来越重要的位置。

  根据CMOS晶体管特性,动态电流产生的功耗PAC可有下式表示:

几种实时嵌入式系统DVS策略的分类比较 

  其中, CL 表示负载电容, Vdd表示供电电压, f表示系统频率。

  而供电电压Vdd与电路延迟τ的关系可由下式表示:

几种实时嵌入式系统DVS策略的分类比较 

  其中, VT 表示CMOS晶体管的阈值电压, VG 表示输入门电压。

  从上述等式我们可以看出, 动态电流功耗PAC与供电电压Vdd成二次方关系,而电路延迟限制了系统频率,所以供电电压Vdd也与频率f相关。因而,考虑动态电流作用的DVS策略将根据电压,频率与功耗之间的关系,以降低系统动态功耗为主,并且要求满足任务截止时间限。

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