动态电压与频率调节在降低功耗中的作用

作者：飞思卡尔半导体公司卢春鹏信息来源:单片机及嵌入式系统应用 2008-5-7

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摘要目前，为了降低功耗，越来越多的芯片支持动态电压与频率调节DVFS(Dynamic Voltage and Frequency Scaling)。本文列举了基于软件和硬件的DVFS实现，验证了DVFS在降低功耗方面的巨大潜力，并分析了影响DVFS应用的一些因素。关键词电源管理动态电压与频率调节 CPU负载跟踪预测算法1 DVFS的工作流程现在，为了延长便携...

在Vertigo的实现中，一些预测器完成性能预测，它将会把新的性能需求提交给策略管理器，由策略管理器决定是否调整当前的性能设置。Vertigo的架构如图2昕示。

3 基于硬件的DVFS实现
正如前面所说的，CPU负载跟踪与性能预测的工作都可以由硬件完成。这样，一方面增强了负载计算的准确性；另一方面减轻了CPU用于负载跟踪与性能预测的负担。当然，这样做也有一个弊端，就是无法灵活地选择预测算法。但是，这个缺点可以通过设置不同的预测参数得到一定程度的弥补。
飞思卡尔的i．MX31就是这样的一个例子。这是一款针对移动多媒体市场的应用处理器，具有强大的音频和视频处理能力。该芯片内部包含一个ARMll的CPU核，同时它也继承了来自ARM的DVS技术并发展为DVFS。在该芯片中，CPU负载跟踪和性能预测都是由硬件完成的，其负载跟踪模块框图如图3所示。

在图3中，16路CPU活动信号被采集之后，经过加权，被送到负载叠加器，与另外采集的CPU空闲信号(经过简单平均)进行叠加。叠加器输出的结果被送到EMA模块，执行指数移动平均(Exponential Moving Average)算法，进行性能预测。EMA模块得到的结果与预先设置的门限值进行比较，如果预测的性能需求高于上限，则请求调高频率；反之，如果预测的性能需求低于下限，则请求降低频率。这种请求一般作为中断，发送给CPU自身或外接的处理器，由它们在其中断处理程序中设置相应的频率和电压。图4演示了整个处理流程。
在图4中，CCM(Clock Control Module)为时钟控制模块，负责调节CPU的频率，PMIC(Power ManagementIC)为电源管理芯片，负责提供CPU所需要的电压。该芯片提供两种接口给CPU：常规的SPI(Scrial ProgrammableInterface)和专用于动态电压调节的DVS接口。该接口由两根线组成。两根线的状态00表示电压无变化，01表示电压降低一格，10表示电压升高一格，11表示电压升到最高值。

图4中的DPTC(Dynamic Process and Tempcrature Control)指的是动态制程与温度控制。该技术能够根据该芯片的制程和当前的温度动态调节电源电压，从而也可以有效地节省能量。这也是i．MX3l的一项创新。

4 DVFS应用的实际效果
为了验证DVFS的实际效果，需要在CPU上运行相应的应用程序，并测量使用DVFS技术和不使用DVFS技术时CPU的功耗。这里，分别给出软件实现的DVFS和硬件实现的DVFS在节省能量方面的实际测量数据。
Intrinsyc公司将ARM公司的IEM软件移植到WinCE上，并测量了IEM使能或禁止时的CPU功耗。软件运行在i．MX31的开发板上，但是因为它没有使用i．MX31内置的DVFS，因此可以将其看作软件实现的DVFS。在计算CPU负载时，采用了简单移动平均算法(即式(3)中的h恒为1／N)；同时，它通过一个GPIO来指示系统是否已经进入空闲状态(cpu_i-dle()线程被调度)。如果Idle的比例越小，则表明CPU的利用率越高。表1和表2是实际的测量数据。

为了验证硬什实现的DVFS的功效，作者在i．MX3l的开发板上进行了测量。所使用的操作系统是Linux。表3给出了实际的测量数据。

从表3中可以清楚地看出，无论软件实现的DVFS还是硬件实现的DVFS，都可以有效地降低能量消耗。

5 影响DVFS应用的因素
动态电压与频率调节的技术提出很久了，在Linux上也有专门的开源项目cpufreq，但是这项技术并没有得到广泛的应用。其中一个最关键的因素就是预测的可靠性。没有一种预测算法是l00％准确的，也没有一种算法可以应用于所有的程序；而对于实时类的应用(如音频、视频等)，预测失败的结果是不可接受的。因为实时类的应用都有一个Deadline，错过Deadline，就意味着程序的运行出了问题。比如音频或视频帧的播放时间错过以后，用户就能明显地感觉到音频或视频的不连贯，这会极大地影响用户的体验，从而也会影响用户对DVFS的信心。作者在进行DVFS的测试时，就碰到过这些问题。IEM测试中采用的简单移动平均算法只对单一应用程序有效。但是i．MX31内置的移动指数平均算法EMA也不是万能的。对于Pink Floyd的某些音乐，它就不能平滑地播放(也许通过修改一些加权参数，可以播放)。
但是作者相信，随着预测算法的进步，DVFS技术必将得到广泛的应用，因为它能够节省很多能量。而节能对许多便携式设备来说，常常是第一要求。

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