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运行时电源管理技术的原理是什么?

关键词:电源管理技术 DSP 存储器

时间:2020-09-22 13:57:05      来源:网络

通常情况下在实时嵌入式系统中可部署一些设计及运行时电源管理技术。尽管我们讨论的是某些可扩大标准多线程读取操作系统(OS)的特定电源管理技术,但应当强调指出的是,采用抢先式(preemptive)的多线程读取OS本身常常能够实现显著的电源节约。不利用OS的实时应用常常要求应用周期性探询接口以检测事件。从电源角度看,这样的效率是相当低的。使用OS可使应用能够利用中断驱动模式,其中程序就会在需要的时候开始执行,以响应外部事件

通常情况下在实时嵌入式系统中可部署一些设计及运行时电源管理技术。尽管我们讨论的是某些可扩大标准多线程读取操作系统(OS)的特定电源管理技术,但应当强调指出的是,采用抢先式(preemptive)的多线程读取OS本身常常能够实现显著的电源节约。不利用OS的实时应用常常要求应用周期性探询接口以检测事件。从电源角度看,这样的效率是相当低的。使用OS可使应用能够利用中断驱动模式,其中程序就会在需要的时候开始执行,以响应外部事件。此外,当基于OS的应用没有可做的事情时,其就会进入空闲线程,这时则可启动低功率操作模式,以减少功耗。

但是,操作系统除了能简单地为DSP内核启用空闲模式之外,其还需要提供复杂得多的电源管理支持。在实践中,大量功率被周边设备所消耗,可能是片上器件,也可能是外部设备,此外存储器也会消耗大量功率。任何电源管理方法都应当具备管理外设功耗的支持,这是至关重要的。此外,电压与功耗之间的平方关系意味着,更高效的方法是在要求较低电压的较低时钟速率上执行代码,而不是先以最高的时钟速率执行而后再转为空闲。我们将概括讲解在操作系统中实施电源管理支持的众多机遇:

系统上电行为:处理器及其片上外设一般均以最高时钟速率全面上电启动。不可避免的是,有些资源的供电启动还尚不需要,或者根本就不会在应用过程中用到。举例而言,MP3播放器就很少使用其USB端口与PC进行通信。在启动时,操作系统必须为应用提供一种调节系统的机制,从而关闭不必要的电源消耗器件或使之处于空闲状态。

空闲模式:CMOS电路中的有效功耗只有在当电路进行时钟计时的情况下才发生。通过关闭不需要的时钟,可以消除不必要的有效功耗。在等待外部事件时,大多数DSP都融入了暂时终止CPU有效功耗的机制。CPU时钟的"闲置"通常由"停止"或"闲置"指令触发,其在应用或操作系统闲置时进行调用。一些DSP进行多个时钟域分区,可以使这些域分别处于空闲状态,以中止未使用模块中的有效功耗。例如,在TI的TMS320C5510 DSP中,可以有选择性地使6个时钟域闲置,其中包括CPU、高速缓存、DMA、外设时钟、时钟生成器,以及外部存储器接口。

除了支持闲置DSP及其片上外设之外,操作系统还必须提供用于闲置外部周边设备的机制。例如,一些编码译码器具备可以被激活的内置低功率模式。我们面临的一个挑战是类似看门狗定时器这样的外设。通常情况下,看门狗定时器应根据预定义的时间间隔提供服务,以避免其激活。这样,减缓或中止处理的电源管理技术就可能无意中导致应用故障。因此,该OS应当使应用在睡眠模式期间禁用此类外设。

断电:尽管空闲模式消除了有效功耗,但静态功耗即便在电路不进行切换的情况下也会出现,这主要是由于逆向偏压泄漏(reverse-bias leakage)造成的。如果系统包括的某个模块不必随时供电,那么我们就可以通过让操作系统仅在需要时才为子系统上电,从而减少功耗。到目前为止,嵌入式系统开发商对最小化静态功耗投入的工作极少,因为CMOS电路的静态功耗非常低。但是,新型、具有更高性能的晶体管使电流泄漏显著增加,这就要求我们对可降低静态功耗及更复杂的睡眠模式给予新的关注。

电压与频率缩放(frequency scaling)有效功耗与切换频率成线性比例,但与电源电压成平方比。以较低的频率运行应用与在全时钟频率上运行该应用并转入闲置相比,谈不上节约了多少功率。但是,如果频率与平台上可用的更低操作电压兼容的话,那么我们就可能通过降低电压来实现显著的节约,这正是由于上述平方关系的缘故。这也使人们就如何通过电压缩放来节约功率进行了大量的学术研究。

尽管电压缩放是一种潜在的、非常诱人的、降低功耗的方法,但在现实世界的应用中我们对其加以利用时应当小心。这是由于我们需要完全了解该系统是否仍能满足它的实时最后期限。降低电压(进而降低CPU频率)将改变给定任务的执行时间,从而有可能导致人物错过实时最后期限。即便新频率与最后期限兼容,但如果开关频率及电压的等待时间太长,还是会出现问题。影响等待时间的因素包括如下:

* 对稳压器进行再编程所需时间

* DSP能否在电压更改期间继续执行其他任何代码

需要对外设进行再编程,如串行端口或外部存储器接口,与接收不同始终来源的周边外设相接。例如,CPU 时钟速率降低可能要求减少访问外部存储器的等待状态数量。

对用于生成操作系统时钟报时信号的计时器进行再编程的可能性,将影响操作系统时基的绝对正确性。

尽管电压缩放实际等待时间会根据所选DSP以及需要再编程外设的数量而不同,但在许多系统中,等待时间仅为几百微秒甚至几毫秒。在许多实时应用中,这将使电压缩放不切实际。尽管存在上述弱点,但仅在某些可事先预见的模式下,那些需要完全处理功率的应用,还是有可能利用电压缩放的。例如,便携式音乐播放机可利用DSP进行MP3译码及用户接口要求的一般控制处理。如果仅MP3译码要求完全时钟速率,那么DSP便可在执行用户接口功能时降低其电压,而仅在音乐数据开始流向DSP时才以完全功率工作。

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