引言

現今對電子系統設備性能的要求越來越高，在權衡電子系統的性能和功耗時，電子系統的性能往往得到更多的重視。容量有限的電池是便攜設備的惟一能量來源，而電池容量的提高速度明顯趕不上中央處理器性能的提高速度，因此，如何利用有限的電能為便攜設備提供最高性能，是便攜設備中電源管理的主要目標。除此之外，電源管理還要兼顧穩定性和散熱性。電源管理模塊是在可編程電源管理的設備上，為電源管理提供實現各種功耗模式的應用編程接口的軟件模塊。

功率消耗有兩種方式： 靜態功耗和動態功耗。靜態功耗主要為晶體管泄漏（leakage）功率；動態功耗則來源于電路有效性激活，例如地址線或者數據線輸入時引起的寄存器線路的有效性激活。開關電容所消耗的功率是動態功率消耗的最主要組成部分，即在電路輸出時開關電容進行充放電過程所消耗的功率：

由式（1）可知Pdynamic依賴以下4個參數： C（電容量）、V（電壓）、f（信號頻率）和a(可變因數)。其中，a與芯片中出現0-1轉換的次數有關。降低動態功耗的方法相應地分為4類：

① 降低電容量或者電路的儲電量。
② 降低開關的活躍性。由于計算機芯片被越來越復雜的功能性所包裝，使得芯片的開關活躍性增強，因而降低開關活躍性對降低系統動態功耗起到的作用越來越大。時鐘門控（time gating）技術是當前流行的降低開關活躍性的技術，這種技術使得時鐘信號不通過閑置應用單元。因為時鐘網絡是芯片功率消耗的主要部分，這種技術恰恰可以在處理器中有效地降低功率和電量消耗。
③ 降低信號頻率。
④ 降低電壓。

后兩種方法是以降低系統性能為代價的，但同時也是降低系統功耗的主要手段。系統電源管理就是通過認識系統任務（task）和狀態（status），利用合理的電源管理策略，權衡提高系統性能和降低系統功耗之間的關系，在功耗最低的情況下，為系統應用提供最優性能。本文從任務信息和系統狀態兩個角度對降低系統功耗的管理進行探討研究，并提出一種基于最高決策的系統級電源管理模塊構架。

1 功耗管理技術分析

1.1 系統狀態、任務和電源管理策略信息

電源管理的前提是對系統設備狀態及任務信息的準確檢測和管理，以及對電源管理策略進行準確的效率統計。

系統狀態包括Running（工作）狀態、Idle（空閑）狀態和Sleep（休眠）狀態。有的系統可以提供多模式的工作狀態，區別主要在于處理器工作頻率、工作電壓和設備組合的不同。任務的實時指標包括響應時間（response time）、延時（latency）和任務截止期（deadline）。硬實時任務對這些指標有硬性的要求，當系統不能達到該指標時，提供的數據或服務就會完全失效，甚至造成災難性的后果；軟實時任務則對其只有軟性要求，達不到指標的后果只是無法提供要求的服務質量。任務的信息除了實時指標以外，還有執行任務所使用的設備部件。如果是多工作模式系統，則還要包括執行該任務的最低工作模式。許多操作系統和處理器都能夠提供很好的檢測模塊和功能單元。例如，Linux的timer函數可以提供系統狀態監測計時， Intel XScale處理器的PMU（Performance Monitoring Unit）單元，可以用來監視XScale平臺的工作情況。對系統狀態和任務信息的檢測和管理是管理模塊中的重要部分之一。

電源管理策略信息包括核心算法和工作效率。衡量電源管理策略的效率可以通過計算“競爭比”（competitive ratio）和“錯誤率”等來判斷。D. Ramanathan[2]在利用競爭分析方法分析電源管理策略中使用了“競爭比”這個衡量指標。競爭分析方法的前提： 假設所研究的問題有一個競爭對手，而且這個對手對該問題的輸入能夠產生影響。競爭比的定義是在線（online）策略所消耗的資源與完成任務可能消耗的最少資源之間的比值。這里，在線策略是針對負載未知的系統的電源管理策略。因為在實際系統中，系統下一個任務請求的到達時間是不可能完全正確預知的，而可能消耗的最少資源就是在電源管理策略能完全正確預知下一個任務請求到達時間的前提下所消耗的資源。這里的資源可以簡單地用功耗代替，也可以結合系統執行任務的延時，即系統性能。預測錯誤率是針對預測策略的效率指標，它等于預測錯誤次數與總預測次數之間的比值，并可利用布爾數來判斷預測錯誤率的評估函數。

1.2 Running狀態下的電源管理方法

當系統處于Running狀態時，電源管理模塊根據任務信息，在完成任務的前提下，通過轉換系統設備的狀態或者工作模式來達到降低功耗的目的。例如： 任務按照運算密集型和存取密集型分類，在執行運算密集型的任務時，可以在保證任務完成的實時需求的前提下通過降低總線頻率來降低系統功耗；在執行存取密集型的任務時，可以通過降低處理器的工作頻率來降低功耗。

當系統執行多工作量的任務或者同時執行多任務時，有效的電源管理策略是任務調度和任務截止期（deadline）相結合的電源管理策略。這種電源管理策略的基本思想是： 將任務按使用設備和任務集合分組，羅列所有調度可能，排除約束條件（在截止期內完成）以外的調度，在任務截止期內盡量使同組任務集中執行，從而使系統空閑時間盡可能集中，以實現動態電源管理。應用于該策略的任務調度流程如圖1所示。

基于任務調度和任務截止期的電源管理策略的調度任務原則是：

① 調度能耗越低，則優先級越高；同組的任務按截止期排序；每組第一個任務的截止期越早，則該組調度的優先級越高；每組最后一個任務的截止期越早，則該組調度的優先級越高。
② 對于調度能耗與截止期完全相同的調度，先到達者具有更高的優先級。
③ 當有外部任務請求使用休眠的設備時，電源管理模塊重新安排任務的優先級。

設連續函數P(s)，如果系統設備運行在速度s下，則其消耗的功率為P。根據基于CMOS工藝的設備的立方根（cuberoot）原理，則有：

為了便于分析，將功耗與系統設備運行速度的關系表示為下式：

這是一個嚴格的凸函數，它傳達的信息是，任務進行得越慢，越節省功耗。這是基于任務截止期約束任務完成的電源管理策略的基本出發點。當前有不少基于任務截止期約束任務完成的電源管理策略，例如簡單化的在線策略AVR[3]（Average Rate）、OA（Optimal Available）和BKP策略[4]等就是這類策略的典型。其中： AVR策略假設系統中只有一個任務在執行；OA策略假設不會再有新任務進入安排；而BKP策略則在c比較大時才能夠很好地降低功耗。