基于CPU使用率的动态电源管理（DPM）研究与实现

浙江大学硕士学位论文基于CPU使用率的动态电源管理（DPM）研究与实现姓名：杨建海申请学位级别：硕士专业：计算机科学与技术指导教师：陈文智20060602浙江大学硕士学位论文：基于C P U 使用率的动态电源管理研究与实现摘要：动态电源管理主要是为了在满足用户需求时动态调整系统资源状态，达到系统节能的效果。对于电池供电的嵌入式系统而言，延长电池的供电时间非常重要，D P M 系统为我们延长电池使用时间提供了良好的解决方案。使用D P M 的系统中必须包含多功耗状态部件，通过动态调整部件的功耗状态，使得该部件能满足系统需求的同时功耗最小，这是我们的最终目的。为了实现基于C P U 的D P M ，我们必须预测下一个时间内C P U 的工作状态，通过预测我们可以设置C P U 的电压和频率，因此C P U 不必维持最高的电压、频率，可以达到C P U 的节能效果。系统C P U 使用率的预测是为C P U 设置状态的依据，是基于C P U 使用率的D V S ( 动态电压调整) 的关键所在，预测准确性和系统节能与性能之间关系重大。在完成本论文的过程中，作者主要做了如下工作：1 、针对嵌入式系统的功耗分析、节能可行性进行分析，从硬件指令集到软件优化的不同层次进行分析，作为电源管理研究的首要工作。2 、针对基于C P U 使用率的D P M 进行研究。在一种基于进程的静态预测算法上进行了改进。由于静态算法缺乏对环境的适应性，改进算法通过历史系统状态和历史预测效果来动态调整计算因子，是一种自适应预测算法。实验结果显示，改进算法的预测效果可以接近静态预测的最佳效果。3 、考虑到在低性能状态下预测系统高性能需求的困难，本文对原预测算法进行了改进，提出了“预留空间”算法来进行修整。4 、本文还提出了针对P X A 2 7 2 平台、L i n u x 2 6 内核的D P M 框架和实现。利用自适应的C P U 使用率预测算法，结合2 6 内核计时器和进程的特性，我们实现了一套基于动态t i m e o u t 监测的D P M 系统。总而言之，本文比较系统地研究了动态电源管理，提出一种C P U 使用率预测算法改进，在此基础上实现了一套D P M 系统。关键字：D P M 、C P U 使用率、预测算法、L i n u x 、P X A浙江大学硕士学位论文：基于C P U 使用率的动态电源管理研究与实现A b s t r a c t ：D P Mi sa i m e da tc h a n g i n gs t a t e so fs y s t e mc o m p o n e n t sd y n a m i c a l l yf o rp o w e rs a v i n gw h i l es a t i s f y i n gu s e r sp e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t E x t e n d i n gt h eb a t t e r yl i f ei so fg r e a ti m p o r t a n c e ，e s p e c i a l l yf o re m b e d d e ds y s t e m s ，a n dD P Mi so n eo ft h ec o n v e n i e n tm e a n st oa c h i e v ei t F i r s to fa l l ，w ea n a l y z et h ea v a i l a b i l i t ya n dt h ec a p a b i l i t yt oS a V ee n e r g yf o re m b e d d e ds y s t e m s D i f f e r e n tw a y sa r r a n g e df r o mi n s t m e t i o ns e tt os o f t w a r ef r a m ew o r k sC a l la t t r i b u t et oh e l pu sa n di t st h ef i r s ts t e pt od or e s e a r c hi nP o w e rM a n a g e m e n t T h e n ，w ef o c u s0 1 1 1 “ r e s e a r c ho nD P M As y s t e mt h a tw a n t st ot a k eu s eo fD P Mm u s th a v es o m ec o m p o n e n t S ) s u p p o r t i n gm u l t i p l es t a t e sw i t hd i f f e r e n tp o w e r - c o n s u m p t i o n T os e tt h ea p p r o p r i a t es t a t e ( s ) o ft h ec o m p o n e n t ( s ) i so u rm a i nt a r g e t U s u a l l y , t h es t a t ew es e tf o rac o m p o n e n ti su s e df o rt h en e x tp e r i o dt h a tt h ec o m p o n e n tw i l lb er u n n i n ga t T h e ni tc o m e st ot h eq u e s t i o n ：w h e ns h o u l dw es e tas t a t ef o rac o m p o n e n ta n dw h a ts t a t ei sa p p r o p r i a t e ? T h ea n s w e ri sap r e d i c t o r I nt h i sp a p e rw ed e s c r i b eap r e d i c t o rb a s e do na na d a p t i v ef a c t o rt h a ti so p t i m i z e df r o ma ne x i s t i n gs t a t i ca l g o r i t h m A n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t st e l lt h a tw eh a v em a d eab i gi m p r o v e m e n ti ni n c r e a s i n gt h es t a b i l i t yf o rp r e d i c t i n gC P Uu t i l i z a t i o n A f t e rg i v i n gt h er e s u l t so ft h es o p h i s t i c a t e dC P Uu t i l i z a t i o np r e d i c t o r , w ei m p l e m e n taD P Me x a m p l ea sal i n u xm o d u l ea p p l y i n gt h ep r e d i c t o ri nw o r kl o a dm o n i t o r i n ga tP X A 2 7 2 W h e nt h eb l u e p r i n ti sf i n i s h e d , t h ep r a c t i c i n gb e c o m e se a s y K e y w o r d s ：D P M ，C P Uu t i l i z a t i o n ，p r e d i c t i v ea l g o r i t h m , e m b e d d e ds y s t e m ，l i n u x浙江大学硕士学位论文；基于c P u 使用率的动态电源管理研究与实现1 、综述随着电子技术的快速发展，特别是大规模集成电路的产生而出现的微型机，使现代科学研究得到了质的飞跃，而嵌入式微控制器技术的出现则是给现代工业控制领域带来了一次新的技术革命，随之而来的是嵌入式系统的广泛应用，无论是军事领域还是民品上，嵌入式计算在电子产品类已经占据了相当大的组成部分。由于嵌入式系统往往由电池作为整个系统的供电设施，为了延长电池使用时间，也为了保障嵌入式设备连续使用时的正常性能，我们有必要提供较好的电源管理措施。本文将针对嵌入式系统的动态电源管理技术进行研究分析，提出了一种基于C P U 使用率预测算法的动态电源管理方案。大量研究证明，系统处于空闲的时间占整个运行时间的相当大一部分。电源管理就是为了减少系统在空闲时间的能量消耗，使嵌入式系统的有效能量供给率最大化，从而延长电池的供电时间。1 1 嵌入式系统嵌入式系统被定义为：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统，对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统 i 8 】。嵌入式系统是将先进的计算机软件技术、半导体技术、电子技术和各个行业的具体应用相结合后的产物，这一点就决定了他必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。嵌入式计算机的外部设备中就包含了多个嵌入式微处理器，如键盘、硬盘、显示器、网卡、声卡等均是由嵌入式处理器控制的。现在，嵌入式计算机不仅在民品上而且在军事装备上也得到了广泛地应用。随着系统集成技术和无线通信技术的快速发展，嵌入式系统的应用日趋网络化。尤其是无线通信系统中，人们对嵌入式设备提出了更高的要求：除了提供基本的语音、数据通信等基本功能外，还需要事例复杂的多媒体应用。这就要求嵌入式系统在满足必要的实时性前提下，提供更高的计算性能和大容量的存储空浙江大学硕士学位论文：基于C P U 使用率的动态电源管理研究与实现间；在这些系统一般都带有电池部件并通过它向整个系统供电。满足高性能要求的代价是更大的能量消耗，这就必须缩短电池的供电时间。大量研究证明，系统处于空闲的时间占整个运行时间的相当大一部分。电源管理就是为了减少系统在空闲时间的能量消耗，使嵌入式系统的有效能量供给率最大化，从而延长电池的供电时间。1 2 嵌入式系统动态电源管理为了延长电池的使用时间，在硬件领域，低功耗硬件电路的设计方法得到了广泛应用。然而仅仅利用低功耗硬件电路仍旧不够，进一步的，在系统设计技术中，提出了“动态电源管理D P M ( D y n a m i cP o w e rM a n a g e m e n t ) ”的概念。在D P M 中，普通的方法是把系统中不在使用的部件关闭或者让它进入低功耗模式( 待机模式) 1 】，另外一种更加有效的方法就是动态可变电压D V S 和动态可变频率D F S 。通过在运行时态动态地调节C P U 频率或者电压。可以在满足瞬时性能的前提下，使得有效能量供给率最大化。硬件上提供的低功耗机制，需要软件实现上来发挥它的效能。理想的条件下，是希望在系统中，以“功率监控”的方法，管理不同的系统资源( 硬件和软件上的资源) ，这样才能满足嵌入式系统高性能和低功耗的要求。据研究显示，系统范围内能量的骤降，完全因为系统任务的工作负荷急剧增加和外设的频繁利用。必然地，实时嵌入式操作系统就成了唯一理想的来实现软件上的D P M 。这是因为：实时嵌入式操作系统可以决策不同应用任务的运行，可以收集任务相关的实时限制信息和性能需求信息；实时嵌入式操作系统可以直接控制底层的硬件，利用硬件提供的D P M 技术或者机制。1 3l i n u x 电源管理我们的研究将以L i n u x 嵌入式系统为平台，在P X A 2 7 2 上