嵌入式系統的性能優化設計

嵌入式系統的低功耗設計內容低功耗設計概述功耗控制技術Moblin的功耗控制技術8.1低功耗設計概述嵌入式低功耗的重要性嵌入式系統的功耗組成CMOS電路的基本功耗模型8.1.1嵌入式低功耗的重要性HotPlateNuclearReactor386486PentiumPentiumProPentium2Pentium3Pentium4(Prescott)Pentium4為什么功耗問題這么重要？電池容量不遵循摩爾定律增長Processor(MIPS)HardDisk(capacity)Memory(capacity)Battery(energystored)012345616x14x12x10x8x6x4x2x1xImprovement

(comparedtoyear0)Time(years)8.1.2嵌入式系統的功耗組成CPU不再是唯一的功耗的組成處理器、無線通信、屏幕是嵌入式系統的3個主要功耗部件8.1.3CMOS電路的基本功耗模型分為靜態功耗和動態功耗——回顧第3章關于處理器的知識，實際上這一點對所有CMOS電路都適用。靜態功耗曾經微不足道，但現在隨著工藝制程(130nm、90nm、60nm)向深納米發展，問題已經變得非常突出。動態功耗=aCFV2a為與電路有關的一個調整參數；C為一個時鐘周期內的總柵電容，對于一個處理器來說它是固定的。V最關鍵，因為動態功耗與其平方成正比。此外隨著工藝制程(130nm、90nm、60nm)的發展，工作電壓要求越來越低。F為時鐘頻率。V與F的制約關系V越高，可以支持的F越高8.2功耗控制技術功耗控制可以從不同層次來實現，根據實現效果，從高到低可分為：系統設計軟件算法設計硬件的設計8.2.1系統設計的低功耗考慮待機模式的設計卸載計算密集任務到專用硬件動態電源管理(DynamicPowerManagement)動態電壓/頻率調整(DynamicVoltage/FrequencyScaling)時鐘門控(ClockGating)技術8.2.1.1待機模式的設計對于大多數家電希望能用遙控器控制開關所以待機時，不能完全斷電。常用的實現方法包括兩種：偽待機方案待機時就是程序不運行，關閉顯示待機功耗很大備份MCU方案用一個非常低功耗的MCU來負責遙控器的響應，并且控制主CPU的電源待機時主CPU完全斷電8.2.1.2卸載計算密集任務到專用硬件通過把復雜的計算卸載(offloading)到專門的硬件上，放低對主處理器的主頻要求比如一視頻播放器里的YUV→RGB轉換環節如果用CPU來做，對于720p的可能要用掉一個嵌入式處理器（400Mhz左右）的全部計算能力，功耗10瓦左右。但是如果用一個專門的硬件電路來做（并行的多個乘加單元），可能10Mhz的工作頻率就夠了，也許幾十個mW功耗就夠了采用具有專門對你的計算密集應用有專門加速模塊的SoC比如TIOMAP2420里的Imaging/VideoAccelerator模塊如果價格不敏感，可以直接利用FPGA設計加速模塊8.2.1.3動態電源管理(DynamicPowerManagement)很多處理器或者外設支持多種不同的睡眠模式一般是通過關斷部分電路的電源實現睡眠不同的睡眠模式下，關斷的范圍不一樣，從而從睡眠恢復所需的時間也不一樣盡量讓系統在沒有活動任務時進入盡可能深的睡眠模式需要操作系統和應用軟件的配合才能實現模式切換的頻度的折中從睡眠模式恢復到正常狀態的這個過程往往比正常模式還要費電比如硬盤從靜止→啟動到規定的轉速過于激進的切換，可能導致頻繁的恢復，所以反而更耗電過于保守的切換，節電效果也不好8.2.1.3動態電源管理處理器功耗管理策略處理器的運行方式可以用一個電源狀態機來描述：8.2.1.3動態電源管理處理器功耗管理策略(續)

處理器的電源（即功耗）有兩種不同類型的管理策略：一種是靜態電源管理機制。它由用戶調用，不依賴于處理器活動。一個靜態機制的例子是通過節電模式來節省電源。這種方式用一條指令來進入，通過接收一個中斷或其他事件來結束。另一種是動態電源管理機制。它是基于處理器的動態活動來對功耗來進行控制的。例如，當指令運行時，如果處理器某些部分的邏輯不需運行，那么處理器也許會關掉這些特定部分。8.2.1.3動態電源管理APM、ACPI標準實現嵌入式計算系統的低功耗，需要硬件和操作系統協同地工作。為協調操作系統和硬件對功耗和電源的管理，需要為兩者制定一套統一的接口規范。最早的規范是APM（Advancedpowermanagement，高級功耗管理），它是由Intel和微軟聯手發布的一組API，使運行于與IBM兼容的個人計算機上的操作系統能與BIOS協同實現功耗管理。目前的規范是ACPI（AdvancedConfigurationandPowerInterface，高級配置和電源接口），它是從APM發展過來的。ACPI是一個電源管理服務的開放工業標準。它與多種操作系統兼容，最初目標是針對個人計算機的。ACPI提供了一些電源管理的基本工具并抽象出硬件層。操作系統有自己的電源管理模型，它通過ACPI向硬件發送需求控制，然后觀察硬件狀態將其作為電源管理的輸入，從而實現對計算機和外圍設備的電源的控制。8.2.1.3動態電源管理APM、ACPI標準ACPI在整個計算機系統中結構目前一些流行操作系統和軟件平臺，如WindowsXP、Moblin等，都是支持ACPI。8.2.1.3動態電源管理操作系統支持的常見低功耗狀態當任務空閑（或稱處于非活躍狀態）時，計算機系統可通過進入各種低功耗的工作模式的方式來節能，這些低功耗的工作模式有時又統稱為“睡眠”模式。系統的這些低功耗工作模式，介于系統完全啟動和完全關閉狀態之間，擁有多種形式，每種形式擁有自己的特點，能滿足不同角度的用戶需求。這些工作模式包括：待機（Standby）系統處于“待機（Standby）”模式時，將切斷所用硬件組件的電源，從而減少計算機的電源消耗。“待機”可切斷外圍設備、顯示器甚至硬盤驅動器的電源，但會保留計算機內存的電源，以不至于丟失工作數據。8.2.1.3動態電源管理操作系統支持的常見低功耗狀態待機（Standby）(續)待機模式的主要優點在于恢復時間短，只需數秒時間系統就可恢復到之前的狀態。缺點在于待機模式仍需要對內存供電。這樣內存內容將不會被保存到文件夾中，因而也就不會因為內存重新加載而影響運行速度。但是，如果在該模式下發生電源中斷，所有未保存的內存內容都將丟失。因此，待機又稱為掛起到內存（SuspendtoRAM，簡稱STR）。處于待機狀態的系統，除硬盤外，其他設備還是處于加電等待狀態（也就是說喚醒時無須重新加電，通俗地說就是原地待命），所以電源、處理器、顯卡等設備的風扇還是處于工作中，鍵盤指示燈也是亮著的。我們可以通過按鍵盤任意鍵或動一下鼠標來喚醒電腦，這時硬盤就會重新加電并啟動，然后和內存、處理器等設備交換數據，從而完成返回到原來工作模式的任務。8.2.1.3動態電源管理操作系統支持的常見低功耗狀態休眠（Hibernate）系統處于“休眠（Hibernate）”模式時，將保存運行狀態的一份映像到外部存儲器中，然后關閉計算機電源。這樣重啟電源時，運行就會恢復到按原來離開時的樣子，如文件和文檔就會按原來離開時的樣子在桌面上打開。休眠模式比待機模式的脫機程度更深，因此有助于節省更多的電量，但重啟時間更長。此外，休眠模式還具備更高的安全性。這是因為該模式不僅會像睡眠模式那樣關閉對外設和硬盤的供電，而且還會切斷對RAM內存芯片的供電。因此，又稱為掛起到硬盤（SuspendtoDisk，簡稱STD）。8.2.1.3動態電源管理操作系統支持的常見低功耗狀態休眠（Hibernate）(續)由于休眠模式會在關閉電源之前，將內存中的所有數據保存至（寫入）外部存儲器（一般是硬盤）上的參考文件中。退出休眠模式時，系統將恢復（讀取）該文件，并將相應的數據重新加載到內存中。這樣，系統就恢復到了之前的工作模式。由于休眠模式需要保存內存數據，因此與睡眠模式相比，該模式的恢復（喚醒）時間要更長。這種模式的優勢在于其完全不耗電，因此不怕休眠后供電異常，但代價是需要一塊和物理內存一樣大小的硬盤空間。而這種模式的恢復速度較待機模式慢。休眠狀態的計算機系統幾乎和通常關機一樣安靜，用戶還可以完全切斷電源，而內存的數據（即運行狀態）不會由于斷電而丟失。與待機相比，休眠一般難以通過外部設備來喚醒的，它需要和正常開機一樣啟動系統；不過和開機相比，休眠后啟動系統無需一個一個進程地來啟動，只須要將硬盤中的內存鏡像讀取到內存中即可，因此速度較開機還是快得多。8.2.1.3動態電源管理操作系統支持的常見低功耗狀態睡眠（Sleep）“睡眠（Sleep）”模式結合了待機和休眠的所有優點。將系統切換到睡眠狀態后，系統會將內存中的數據全部轉存到硬盤上的休眠文件中，然后關閉除了內存外所有設備的供電，讓內存中的數據依然維持著。這樣，當用戶想要恢復的時候，如果在睡眠過程中供電沒有發生過異常，就可以直接從內存中的數據恢復，速度很快；但如果睡眠過程中供電異常，內存中的數據已經丟失了，還可以從硬盤上恢復，只是速度會慢一點。不過無論如何，這種模式都不會導致數據丟失。此外，睡眠模式也不是一直不變地持續下去的，如果系統進入睡眠模式一段時間后沒有被喚醒，那么還會自動被轉入休眠狀態，并關閉對內存的供電，進一步節約能耗。8.2.1.3動態電源管理操作系統支持的常見低功耗狀態實現這些低功耗狀態節能，一方面需要操作系統的支持，另一方面也要求硬件提供相應的支持，如支持高級配置和電源接口（ACPI），這樣的協同才能實現上述功能。當空閑時間（又稱非活躍時間）達到指定長度，或者檢測出電池電量不足時，操作系統可自動將計算機系統置于各種相應的低功耗狀態，從而達到整個系統節能的目的。8.2.1.4動態電壓/頻率調整(DynamicVoltage/FrequencyScaling)某些新的CPU可以讓軟件動態的改變工作電壓和頻率通常兩者按一定比例同步的修改，電壓上升，可以運行的最高頻率上升某些時候CPU上執行的任務并不一定要求很快完成比如在Windows事件循環中idle階段的一些處理此時可以將CPU頻率改慢，同時CPU電壓改低→兩者都對降低功耗有貢獻8.2.1.4動態電壓/頻率調整動態電壓/頻率調整技術實例：SpeedStep、EIST、C&Q技術SpeedStep是由Intel公司推出的，對IntelCPU進行功耗控制的一項技術。后來Intel發展了該技術，現在一般統稱為EIST（EnhancedIntelSpeedStepTechnology，增強型智能變頻）。此技術最早用在IntelPentium3-M處理器上，現在IntelPentium46xx、PentiumM、PentiumD、酷睿（Core）、Atom等多種系列上都采用了此技術。此技術的基本原理是通過調整處理器的電壓和頻率，來減少其功耗和發熱，當然隨著電壓和頻率的降低，處理器的處理速度也會隨之有所降低。采用此技術的系統，不僅更加節能，而且不需要安裝大功率散熱器來散熱，也不用擔心長時間使用因溫度過高導致電腦不穩定。8.2.1.4動態電壓/頻率調整動態電壓/頻率調整技術實例：SpeedStep、EIST、C&Q技術對于AMD處理器，該公司推出了兩種與EIST類似的CPU節流技術。一個是C&Q（Cool'n'Quiet）技術，俗稱“涼又靜”。該技術用在了它的桌面和服務器處理器生產線上。其目標不是去延長電池壽命，因為它并沒有用在AMD移動處理器上，而是為了產生少的熱量。當處理器的任務不是很重時，該技術會根據處理器的任務量的多少來調用和關閉一些晶體管，這樣可減少散熱需求，并據此將系統風扇逐漸下降到較低速度，從而產生更涼爽、更安靜的操作，這恰好是該項技術的名字來由。8.2.1.4動態電壓/頻率調整動態電壓/頻率調整技術實例：SpeedStep、EIST、C&Q技術同樣，要實現C&Q功能，系統必須滿足以下條件：支持C&Q的處理器、支持C&Q的主板和相應的BIOS、適當的BIOS設置、操作系統的支持和正確的系統設置。另一種CPU節流（CPUthrottling）技術是AMDPowerNow。該技術主要用在移動處理器上，而在桌面系統上也能找到一些支持的CPU，如AMDK6-2+。該技術以每秒30次的頻率“偵察”處理器的負荷情況，根據實際情況動態更改工作頻率和電壓，從而達到降低發熱和功耗的目的。8.2.1.5時鐘門控(ClockGating)技術時鐘門控技術是通過另一種途徑來實現節能的，它通過關閉和開啟相關模塊的時鐘來實現功耗控制的。此技術最早在諸如OMAP3之類的手機傳統芯片家族中應用，而Intel從Pentium4處理器也開始采用它來實現節能。采用時鐘門控技術，如果在當前的時鐘周期內，系統沒有用到某些邏輯模塊，則切斷這些模塊的時鐘信號，關閉模塊的電路使其邏輯開關不改變狀態，這樣僅需要保留漏電流而其切換功率消耗接近于零，從而達到降低功耗的效果。而當有工作要做時，重新激活模塊的時鐘。以上過程又稱裁剪時鐘樹（pruneclocktree）。從某種意義上來說，時鐘門控實際上是可變頻率時鐘的一種極限情況——即只有零和最高頻率兩種值。為實現此技術，要求每個模塊——又稱功能單元塊（FunctionalUnitBlock，FUB）——都包含有時鐘門邏輯電路，也就是說，要實現時鐘樹的裁剪必須有附加邏輯部件來保證。時鐘門控有幾種實現形式。一種是通過軟件的手工時鐘門控，此方法中，由驅動來開啟或關閉指定空閑控制器所使用的不同時鐘。另一種是自動時鐘門控，此方法中，硬件能被告知或自己檢測到是否有工作在做，然后如果指定時鐘不再需要的話則關閉它。這些模式互相影響、融合。例如，一個內部橋或總線可能會使用自動門控，這樣它始終被門控關閉著，直到處理器或DMA引擎需要使用它才結束。而總線上的外圍設備如果在軟件上沒有使用到的話，則可能被驅動程序中的門控相關代碼關閉。8.2.2軟件的考慮

程序設計中的低功耗遵循的主要的原則和建議有：1．低功耗優化的最基本原則低功耗優化的最基本原則盡量減少處理器和各種外設的工作時間。當不需要某個外設和不需要處理器運算時，盡可能地把處理器和外設的功耗降低或關閉。由于處理器的功耗在系統的總功耗中所占比例較大，因此要盡可能縮短處理器的工作時間，較長地處于空閑方式或掉電方式是軟件設計降低嵌入式系統功耗的關鍵。8.2.2軟件的考慮2．總體建議是：高性能=低功耗基本上所有軟件層次的性能優化的措施對于降低功耗都是有積極作用的：算法層次優化→減少運算次數→降低CPU頻率要求實現層次優化減少完成同樣的運算次數所需的CPU時鐘數→降低CPU頻率要求減少內存數據搬運次數→減少總線、內存的功耗一般來說，在電壓固定的大多數情況下，短暫時間內以峰值速度運行而長時間地處于深度空閑狀態，比長時間以低時鐘率（即工作頻率）運行而僅以短時間處于輕度空閑狀態，節能的效率要高得多。因此，同樣的任務以最短的時間運行完，然后進入空閑狀態，比以較長的時間運行完，然后才進入短暫的空閑狀態，消耗的電能要少得多。采用快速算法也可以降低功耗，這實際上也是遵循了高性能等于低功耗這條建議。8.2.2軟件的考慮3．盡量使用功耗低的硬件來實現任務完成同樣的任務可以選擇不同的硬件來實現，然而不同的硬件的功耗開銷是不一樣，應該選擇功耗低的硬件來實現。一般地，寄存器訪問的能耗是最低的，高速緩存訪問的能耗比主存訪問的能耗低。因此在程序設計時應該盡量遵循以下建議：盡量有效使用寄存器。分析高速緩存行為來發現主要的高速緩存沖突。盡可能在存儲系統中使用頁模式訪問。8.2.2軟件的考慮4．輪詢是低功耗優化的大敵。程序在等待狀態改變或者訪問外設時可能會采用輪詢（poll）的方法，此方法有時又稱“飛速旋轉”（spinning）代碼。輪詢讓處理器重復執行幾條指令，其功率消耗與繁重計算任務基本相當，而其作用僅僅是等待狀態改變，卻無法讓等待期進入空閑狀態，造成功耗的大量浪費。因此，在低功耗設計中，應該盡量避免使用輪詢，而使用替代方法。例如，對外設的訪問使用中斷方式來代替輪詢；客戶-服務器協作模型中，將客戶端不停地查詢服務，改為服務器主動推（push）服務給客戶端；在線程同步時，如果需要查詢狀態改變，可以使用操作系統提供的事件量（event）、信號量（semaphore）等服務來實現。8.2.2軟件的考慮5．事件驅動的程序設計方法從軟件設計方法來說，低功耗程序應該盡量遵循事件驅動的程序設計。所謂事件驅動的程序設計就是程序設計成響應事件的模式：當有事件來就運行處理事件；當沒有事件到達，或事件處理完程序放棄處理器處于“休眠”狀態。這里說的事件是廣義的事件，包括用戶的輸入、網絡通信事件、進程/線程同步時的事件等。在Windows系統中，事件驅動被稱為消息驅動。采用事件驅動設計的程序，使處理器的利用率特別高：只有真正有事情要處理時才運行，無事情處理時，讓出處理器，這樣操作系統和硬件就能在處理器讓出的時間內及時地偵測到處理器處于空閑狀態，從而做出降低功耗的操作。事件驅動的程序設計方法在嵌入式系統的一個特殊分支領域——無線傳感器網絡——中幾乎被當做鐵的紀律。8.2.2軟件的考慮6．減少程序中類似于輪詢的周期性操作前面說輪詢操作使系統消耗不必要的電能，而實際上，程序中一些不必要的周期性觸發或運行的操作同樣有著與輪詢類似的消耗不必要的電能的效果。Moblin中的TicklessIdle技術實際上是操作系統內核程序遵循此原則采取的改進，即去除內核中周期性的定時操作。此外還有很多Linux應用程序中常見的不必要的周期性觸發或運行的操作。例如鼠標移動（每秒1次，在屏保中常用）、音量改變（每秒10次，在混頻器程序中常用）。這些常見的不必要的周期性觸發或運行的操作，會導致系統從空閑狀態中不必要地喚醒，應該引起我們的注意，小心地加以避免或改進，否則它們會輕易地抵消掉各種節能技術帶來的功耗節省。8.2.2軟件的考慮7．通信、數據采集上的低功耗建議在數據采集中，A/D轉換需要消耗功率，采集的速度越快，則消耗的功率越多，而產生的數據量也越大，處理器需要花費越多的時間來處理數據，從而功耗越大。因此數據采集時中盡量降低采集的速率。在通信模塊設計中，盡量地提高傳送的波特率（每秒鐘串行口傳送的數據位數）。提高通信速率，就意味著通信時間的縮短，因而減少了通信時高功耗的時間，降低了總的功耗。同理，在使用WiFi通信時，應多使用突發（burst）模式來傳輸數據，這樣可以縮短通信（特別是發送數據）的時間，便于WiFi設備盡快進入空閑狀態。傳感器網絡中，此建議的形式稍微有所變化：減少網絡中傳輸的數據的容量就能節省網絡內部處理所消耗的能量。因此在傳感器網絡中應該盡量減少通信數據量，而不是單純地縮短通信時間。8.2.2軟件的考慮8．外設通信和界面設計上的低功耗建議如果外設支持動態電源調整，盡量用突發（burst）模式來訪問數據比如本來播放一個大小為2MB的視頻文件以每秒200KB讀數據的話需要10s的時間，但是如果在第一秒以2MB速率讀數據的話，后9秒相應外設可以進入休眠狀態。GUI如果不是一定需要用16位色就夠了，24位/32位色意味著更多的計算和內存數據的搬移→更高的功耗8.2.2軟件的考慮9．建立電源感知的程序嵌入式系統（如MID、上網本等）的電源經常在連接外接電源和未連接外接電源（即使用電池電源）狀態之間切換，這兩種電源狀態對軟件的功耗要求完全不同，前者對功耗不敏感，但多半也會要求性能優先，而后者對功耗敏感，因此需要在性能和功耗之間進行平衡。對此，應用程序應當檢測出設備當前使用電源的類型，做出與電源相關變化相適應的調整，即達到電源感知（power-aware）的效果。此外電源管理中存在一些潛在的可能會影響軟件行為的因素，如設備電池低于特定閾值時轉入關閉狀態，以及自動休眠等。應用設計時也應考慮這些電源管理事件帶來的環境變化，重視這些因素給運行可能帶來的影響，做出相應的應對，這就達到某種電源管理感知的效果。例如，應用正在進行耗時的運算（如冗長的浮點運算、查詢循環系統、復雜的圖形重現等），就可能被這些電源管理事件所中斷或暫停，作為應對措施之一是需要及時地保存現場，在環境允許時，及時從中斷狀態中恢復。此外還可以針對電源進行某種防御性編程。如提前考慮到用戶將會啟動的任務（例如，播放電影）。提前確定是否有足夠的電池電量來完成該任務，并且如果根據電池電量的當前狀態不能成功完成，則要在任務啟動時向用戶報警。程序通過多種可能的方式開來讀取電源的狀態，來決定程序應該采取的行動。8.2.3硬件的設計使用低功耗工藝的器件改善芯片的電路設計和制造工藝，是一種在物理級別上獲得節能效果的技術。如：SoI（絕緣體上硅結構），High-K（高介電常數）等。在保證吞吐率的情況下，降低總線寬度總線越寬，需要驅動的信號越多，功耗越大盡量選用低電壓版本的器件例如：1.8vMobileDDRSDRAMvs2.5V標準DDRSDRAM8.2.3硬件的設計節能的電路設計和制造工藝例子其中之一是采用超低電壓（UltraLowVoltage，ULV）技術的處理器。ULV系列處理器一方面降低處理器核心電壓，另一方面有選擇地縮減處理器的核心數量甚至尺寸，從而從硬件上（物理上）實現功耗的控制。此外，與ULV處理器類似，45納米制造工藝也是從硬件層面上降低處理器的功耗，只不過其技術涉及面更廣一點。總體來說，45納米制造工藝能將處理器內部晶體管間的切換功耗降低近30%，將晶體管切換速度提高20%，而減少柵極漏電流10倍以上，源極向漏極的漏電流5倍以上。這就為芯片帶來更低的功耗和更持久的電池續航時間，同時擁有更多的晶體管數目以及更小尺寸。IntelAtom就采用了45納米制造工藝節能技術。隨著制造工藝的發展，制造精度的進一步提升，芯片在其尺寸越來越小的同時，其物理功耗也就越來越低。8.3Moblin的功耗控制技術Moblin作為基于IntelAtom的軟件平臺，其突出的特點之一是對低功耗的重視和支持。Moblin功耗控制和管理包括了多個方面的技術和組成部分，這些組件實現的層次不同，有的集成在Linux內核中，如TicklessIdle；有的作為Moblin基礎層的一個模塊出現，如設備和總線功耗管理；有的則以工具的形式出現，如PowerTOP、BLTK等。這些組件大部分不是Moblin所特有的，如TicklessIdle技術已應用于當前各種Linux中，很多Linux也配備了BLTK。8.3Moblin的功耗控制技術

下面我們其中幾個組件重點介紹一下：1．TicklessIdle無滴答空閑（TicklessIdle），有的翻譯成“非固定頻率”、“沒有空循環”等，是一種用在Linux內核中用以提高功耗節省能力的技術。傳統的Linux內核對處理器使用一個周期定時器，來記錄系統狀態，調度負載平衡、維持各種處理器定時器事件等。早期的定時器頻率一般是100Hz，而新內核則使用250Hz或1000Hz。然而，當處理器空閑時，這些周期定時事件卻消耗著大量