一種便攜通信設(shè)備節(jié)能算法

摘 要：在便攜通信設(shè)備中，如何在保證性能需求的基礎(chǔ)上，有效提高能耗效率，延長(zhǎng)電池供電時(shí)間是一個(gè)重要問題，在對(duì)現(xiàn)有節(jié)能算法進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，提出了一種用于便攜通信設(shè)備微處理器的基于時(shí)隙的動(dòng)態(tài)電壓滑動(dòng)算法(簡(jiǎn)稱DVS算法)。仿真結(jié)果表明，該算法能夠有效提高便攜通信設(shè)備微處理器的能耗效率。

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關(guān)鍵詞：便攜通信設(shè)備； 動(dòng)態(tài)電壓滑動(dòng)算法； 能耗效率； 時(shí)隙

中圖分類號(hào)：

TN915.05-34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-373X(2012)01-0017-03

An energy-saving arithmetic of portable communication equipment

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HU Ming， WANG Xing-quan， LAN Ming-jiao

(General Staff Communications Training Base， Zhangjiakou 075100， China)

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Abstract：

In portable communication equipment， it is important questions on how to increase energy consumption efficiency efficiently and prolong use time of battery based on ensuring performance requirement. According to the research of existing energy-saving arithmetic， a dynamic voltage slipping arithmetic (DVS) based on time slot which is used in the microprocessor of portable communication equipment is proposed. The result shows that DVS arithmetic can increase the energy consumption efficiency of microprocessor efficiently.

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Keywords： portable communication equipment; dynamic voltage slipping arithmetic; energy consumption efficiency; time slot

收稿日期：2011-07-26

0 引 言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，便攜通信設(shè)備(如便攜式計(jì)算機(jī)、個(gè)人數(shù)字助理、智能手機(jī)等)得到了廣泛的應(yīng)用。在便攜通信設(shè)備中，如何在電池容量一定的情況下，在保證性能需求的基礎(chǔ)上，有效提高其能耗效率、延長(zhǎng)其使用時(shí)間是一個(gè)重要問題。

在便攜通信設(shè)備中，常用的電源管理算法是FLAT算法[1]，該算法的原理是只要有任務(wù)存在，就讓微處理器以最高電壓工作，盡早完成任務(wù)，在剩余的時(shí)間使微處理器切換到休眠狀態(tài)以降低能耗。FLAT算法在微處理器任務(wù)較少的情況下，能夠很好地降低能耗，但是當(dāng)微處理器任務(wù)較多時(shí)，常常始終處于最高電壓工作狀態(tài)，其能耗較大[2-3]。

本文提出了一種基于時(shí)隙的動(dòng)態(tài)電壓滑動(dòng)算法，通過調(diào)節(jié)微處理器電壓降低其能量消耗，提高能耗效率。

1 基于時(shí)隙的動(dòng)態(tài)電壓滑動(dòng)算法

在便攜通信設(shè)備中，微處理器的任務(wù)能耗與工作電壓的平方成正比關(guān)系。根據(jù)這一原理，基于時(shí)隙的動(dòng)態(tài)電壓滑動(dòng)算法的設(shè)計(jì)思想是在工作過程中動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)微處理器的電壓，在能耗和時(shí)延之間進(jìn)行權(quán)衡，以保證性能不降低的情況下提供較高的能耗效率[4]。

基于時(shí)隙的動(dòng)態(tài)電壓滑動(dòng)算法根據(jù)以前時(shí)隙中微處理器的忙碌程度估算下一時(shí)隙的忙閑程度，并計(jì)算下一時(shí)隙的工作電壓，其計(jì)算公式如下：

Vnew =weight#8226;Vold+BrateVmax(1-weight)

式中：

Vnew為下一時(shí)隙的工作電壓；

Vold為本時(shí)隙的工作電壓；

Vmax為最高的工作電壓；

Brate為以前所有時(shí)隙的忙碌程度；

weight為權(quán)重，表示前面所有時(shí)隙和本時(shí)隙對(duì)下一時(shí)隙電壓的影響，權(quán)重越大表明前面時(shí)隙的電壓對(duì)下一時(shí)隙電壓影響越大。

2 仿真與分析

仿真環(huán)境的硬件設(shè)備采用ARM`8微處理器核，包括內(nèi)核、Cache、外部總線、外部存儲(chǔ)器、I/O設(shè)備。仿真環(huán)境的軟件采用SIMLIB作為仿真工具。

2.1 仿真模型

通過對(duì)便攜通信設(shè)備的工作任務(wù)進(jìn)行分析，對(duì)每種任務(wù)的工作負(fù)載特征建立仿真模型。

便攜通信設(shè)備有三種常用的任務(wù)，即用戶交互任務(wù)、音頻處理任務(wù)和視頻處理任務(wù)[5]。

用戶交互任務(wù)是用戶與便攜通信設(shè)備交互的事件，是指從用戶輸入那一刻開始，到進(jìn)入下一個(gè)空閑狀態(tài)結(jié)束。用戶交互任務(wù)的特征是事件的長(zhǎng)短不定、事件之間的間隔是隨機(jī)的。

音頻處理任務(wù)是指一個(gè)音頻數(shù)據(jù)包傳輸?shù)轿⑻幚砥鹘?jīng)過解壓縮，然后傳輸?shù)揭纛l設(shè)備。音頻處理任務(wù)的特征是所有數(shù)據(jù)包大小相同(通常一個(gè)完整的音頻數(shù)據(jù)包大小為1 024 B)、以負(fù)指數(shù)的時(shí)間間隔到達(dá)。

視頻處理任務(wù)是指一個(gè)視頻幀傳輸?shù)轿⑻幚砥鹘?jīng)過解碼，然后傳輸?shù)斤@示設(shè)備。視頻處理任務(wù)的特征是視頻幀以固定時(shí)間間隔到來(71 ms)、每個(gè)視頻幀的解碼工作量不同。

根據(jù)每種任務(wù)的工作負(fù)載特征建立仿真模型。仿真模型中，用戶交互事件的到來符合泊松分布，λ＝0.02；用戶交互事件的工作量符合負(fù)指數(shù)分布，λ＝0.125；音頻事件的到來服從負(fù)指數(shù)分布，λ＝0.060 6，音頻事件的工作量為固定的3.3 ms；視頻幀的到來時(shí)間間隔為固定的71 ms，視頻處理事件的工作量服從泊松分布，λ＝0.02。

2.2 性能評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)一種電源管理算法的評(píng)估主要有兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)能耗率和有效時(shí)延率[6]。

能耗率：在使用電源管理算法后，完成一段時(shí)間里到來的所有任務(wù)的能耗與該時(shí)間內(nèi)處理器一直以最大功率工作的能耗相比，以這個(gè)比值作為該算法的能耗率，比值越小，說明該算法節(jié)能效果越好。

有效時(shí)延率：?jiǎn)渭兪褂萌蝿?wù)執(zhí)行所用的時(shí)間作為時(shí)延是不合理的，因?yàn)槊總€(gè)任務(wù)都有截止期，截止期是一個(gè)事件要求的處理時(shí)間的大小。如果任務(wù)在截止期內(nèi)完成，那么執(zhí)行時(shí)間的長(zhǎng)短對(duì)性能沒有太大的影響，但是當(dāng)事件處理時(shí)間超過截止期時(shí)，就會(huì)造成難以忍受的時(shí)延，例如視頻事件的處理如果超過了視覺暫留的最高時(shí)間，用戶就會(huì)看到不流暢的視頻圖像。因此引入了有效時(shí)延的概念，有效時(shí)延是指執(zhí)行任務(wù)的有效時(shí)間長(zhǎng)度，它是任務(wù)截止期和任務(wù)實(shí)際執(zhí)行時(shí)間中較大的值。有效時(shí)延率是有效時(shí)延與任務(wù)截止期之比，有效時(shí)延率越小，性能越好。

本文將在SIMLIB仿真軟件[7]中，針對(duì)三種不同的工作任務(wù)，仿真權(quán)重對(duì)能耗率的影響，仿真時(shí)隙大小對(duì)能耗率和有效時(shí)延率的影響。

2.3 仿真結(jié)果及分析

2.3.1 權(quán)重對(duì)能耗率的影響?yīng)?/p>

對(duì)算法中的權(quán)重從0~1取值，步長(zhǎng)為0.1；時(shí)隙大小分別取5 ms，70 ms和90 ms，仿真結(jié)果如圖1所示。

從圖中可以看出：隨著權(quán)重的增加，能耗率呈下降趨勢(shì)，但是在權(quán)重趨近于1時(shí)能耗率劇增至0.845，這是因?yàn)楫?dāng)權(quán)重趨近于1時(shí)，下一時(shí)隙的電壓很大程度上由前一時(shí)隙的電壓決定，因此能耗率急劇升高。在后續(xù)仿真中，動(dòng)態(tài)電壓滑動(dòng)算法的權(quán)重都采用能耗較小且距離拐點(diǎn)略遠(yuǎn)的值0.75。

圖1 權(quán)重對(duì)能耗率的影響仿真結(jié)果

2.3.2 時(shí)隙大小對(duì)音頻處理事件的影響?yīng)?/p>

對(duì)音頻處理事件來說，任務(wù)截止期為4.38 ms，每個(gè)音頻數(shù)據(jù)包的最快處理時(shí)間為3.3 ms，時(shí)隙大小為1~10 ms，步長(zhǎng)為1 ms。時(shí)隙大小與能耗率和有效時(shí)延率關(guān)系的仿真結(jié)果如圖2，圖3所示。

圖2 音頻任務(wù)的時(shí)隙-能耗率關(guān)系仿真結(jié)果

圖3 音頻任務(wù)的時(shí)隙-有效時(shí)延率關(guān)系仿真結(jié)果

從圖中可以看出，由于FLAT算法的音頻任務(wù)截止期大于每個(gè)音頻數(shù)據(jù)包的最快處理時(shí)間，因此有效時(shí)延率始終為1，能耗率維持在0.2，不受時(shí)隙長(zhǎng)短的影響。對(duì)于基于時(shí)隙的動(dòng)態(tài)電壓滑動(dòng)算法，隨著時(shí)隙變大，能耗率從0.2逐漸減小，至0.052時(shí)達(dá)到最小值；有效時(shí)延率從1逐漸變大，在時(shí)隙為6 ms時(shí)有效時(shí)延率達(dá)到最大，而后又略微減小。因此，對(duì)于音頻處理事件，時(shí)隙大小取7~9 ms之間的一個(gè)值可以在能耗率和有效時(shí)延率之間達(dá)到較好的平衡。

2.3.3 時(shí)隙大小對(duì)用戶交互事件的影響?yīng)?/p>

對(duì)用戶交互事件來說，任務(wù)截止期為50 ms，時(shí)隙大小為10~100 ms，步長(zhǎng)為10 ms。時(shí)隙大小與能耗率和有效時(shí)延率關(guān)系的仿真結(jié)果如圖4，圖5所示。

圖4 用戶交互事件的時(shí)隙-能耗率關(guān)系仿真結(jié)果

圖5 用戶交互事件的時(shí)隙-有效時(shí)延率率關(guān)系仿真結(jié)果

從圖中可以看出，由于FLAT算法的用戶交互任務(wù)的截止期一般來說大于用戶交互事件的最快處理時(shí)間，因此有效時(shí)延率始終在1附近，能耗率維持在約0.004 7附近，不受時(shí)隙長(zhǎng)短的影響。對(duì)于基于時(shí)隙的動(dòng)態(tài)電壓滑動(dòng)算法，隨著時(shí)隙變大，能耗率從0002逐漸減??；有效時(shí)延率從1逐漸變大。因此，對(duì)于用戶交互事件，時(shí)隙大小取30~50 ms之間的一個(gè)值可以在能耗率和有效時(shí)延率之間達(dá)到較好的平衡。

2.3.4 時(shí)隙大小對(duì)視頻處理事件的影響?yīng)?/p>

對(duì)視頻處理事件來說，任務(wù)截止期為100 ms，時(shí)隙大小為10~100 ms，步長(zhǎng)為10 ms。由于視頻處理事件的任務(wù)截止期相比任務(wù)的最快執(zhí)行時(shí)間較大，所以處理器的有效時(shí)延率始終在1附近，因此，只仿真時(shí)隙大小與能耗率的對(duì)應(yīng)關(guān)系即可，仿真結(jié)果如圖6所示。

從圖中可以看出，F(xiàn)LAT算法的能耗率始終維持在0.844附近，不受時(shí)隙長(zhǎng)短的影響。對(duì)于基于時(shí)隙的動(dòng)態(tài)電壓滑動(dòng)算法，隨著時(shí)隙變大，能耗率在0.815和0.722之間變化。因此，對(duì)于視頻處理事件，時(shí)隙大小在70~80 ms之間取值，能夠取得很好的能耗效率。

3 結(jié) 論

本文針對(duì)如何有效提高便攜通信設(shè)備的能耗效率

和延長(zhǎng)使用時(shí)間的問題，提出了一種基于時(shí)隙的動(dòng)態(tài)電壓滑動(dòng)算法，并通過建立仿真模型仿真了該算法的性能，通過對(duì)仿真結(jié)果的分析得出以下結(jié)論：

(1) 權(quán)重取0.75時(shí)，能夠使便攜通信設(shè)備取得較好的能耗率。

(2) 對(duì)于音頻處理事件，時(shí)隙大小在7~9 ms之間取值能夠在能耗率和有效時(shí)間率之間取得較好的平衡。

(3) 對(duì)于用戶處理事件，時(shí)隙大小在30~50 ms之間取值能夠在能耗率和有效時(shí)間率之間取得較好的平衡。

(4) 對(duì)于視頻處理事件，時(shí)隙大小在70~80 ms之間取值能夠取得較好的能耗率。

圖6 視頻處理事件的時(shí)隙-能耗率關(guān)系仿真結(jié)果

通過仿真結(jié)果可以看出，基于時(shí)隙的動(dòng)態(tài)電壓滑動(dòng)算法能夠提供較好的節(jié)能效果。因此，通過取合理的權(quán)重大小和時(shí)隙大小，該算法能夠有效提高便攜通信設(shè)備微處理器的能耗效率。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］俞亞平.嵌入式系統(tǒng)節(jié)能模型研究［D］.杭州:浙江大學(xué)，2007.

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［2］劉剛，何英，稽英華.一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能算法的研究［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2008，27(11):47-49.

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［3］王曉東.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能算法研究［D］.杭州:浙江大學(xué)，2007.

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［4］吳心亮.動(dòng)態(tài)靜態(tài)結(jié)合的垂直節(jié)能優(yōu)化策略［D］.杭州:浙江大學(xué)，2007.

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［5］楊雪金，南余榮，俞立.一種減少嵌入式處理器功耗的綜合DVS方法［J］.計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2005，41(14):113-114.

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［6］陳微.高可靠微處理器設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)［D］.長(zhǎng)沙：國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2006.

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［7］BERENBRINK Petra， BRINKMANN A， SCHEIDELER C. SIMLAB: a simulation environment for storage area network. Ninth Euromicro Workshop on Parallel and Distributed Processing [C]// Mantova: [s.n.]， 2001: 227-234.

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作者簡(jiǎn)介：

胡 明 女，1980年出生，山東棗莊人，碩士研究生，講師。主要研究方向?yàn)檐娛峦ㄐ艑W(xué)、軍用通信網(wǎng)絡(luò)。

王星全 男，1959年出生，山東膠南人，高級(jí)工程師。主要研究方向?yàn)檐娛峦ㄐ艑W(xué)、軍隊(duì)指揮學(xué)。

蘭明蛟 男，1978年出生，山東海陽(yáng)人，碩士研究生，講師。主要研究方向?yàn)檐娛峦ㄐ艑W(xué)。

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