動態電壓頻率調節技術的分析

胡 陽

（國網四川省電力公司 武勝縣供電分公司，四川 武勝 638400）

我國第一臺電子計算機雖然在應用方面功能有限，但是需要的功率卻比較大，隨著計算機技術的發展，計算機的性能形成質的飛躍，體積不斷減小，但是耗能卻不斷提升，當前計算機的功能已經達到兆瓦。而耗能中處理器系統占用大部分，通過對官方網站的分析發現，處理器的功率能夠達到130W，Intel 處理器出現后才從功耗方面解決了功率問題，而起到主要作用的則是動態電壓頻率調節技術。

1 動態電壓頻率調節技術簡析

動態電壓頻率調節技術是一種重要的節能技術形式。當前計算機處理器中主要采用的為CMOS 邏輯門電路，這是一種基于MOSFET 的電路節點邏輯形式，通過對電路電容充放電的影響實現對電壓的改變，電壓高可以促進電容放電速度加快，提升操作頻率。通過以上工作原理分析可知，計算機的功耗主要受能耗以及處理器功耗的影響[1]。如果處理器的電壓和頻率比較低的情況下，得到的能耗收益也會更高。計算機系統并不需要時刻保持滿負荷的工作狀態，可以結合計算機的負荷情況對頻率以及電壓進行動態調整。在計算機頻率以及電壓的節能性質調整中，早期計算機已經提供和形成相應的用戶接口，比如可以通過對處理器工作電壓的調整，提升處理器倍頻和外頻，保證處理器的工作效率。這種技術與DVFS 技術存在一定的差別，一般設置在系統啟動前，在運行過程中則是不變的。通過DVFS技術處理器的應用能夠實現對工作電壓以及頻率動態調整的目的。從當前主流處理器的離散預設頻率調節情況來看，采用的離散預設頻率個數比較多。從計算機的工作情況來看，相對于電壓的控制來說，對頻率的控制收益更明顯，因此處理器的應用中更傾向于對工作頻率的調整。首先設定一個最低電壓，并形成多級的頻率與電壓對，結合需要對計算機電壓與頻率進行同時調整。

2 動態電壓頻率調節技術的耗能分析

2.1 實時系統的控制

隨著動態電壓頻率調節技術的發展和應用，處理器在電壓以及頻率級數的調整層次逐漸增多，調整開銷得到有效控制，在技術低能耗和低功耗方面的研究內容也越來越豐富。上世紀30 年代在軍事應用中采用了實時系統，實時系統中計算的準確率與計算邏輯結果以及結果產生時間等都具有直接的關系，也就是在研究中對任務時間進行控制。結合時間控制的程度可以分為不同的系統類型，如果發現任務沒有達到時間控制要求則會發生致命的錯誤，這些系統為硬實時性系統[2]。如果可以接受偏差不大的時間控制問題則為軟實時系統。在系統的設置中實時系統大部分采用的都是嵌入式的系統模式，通過時間控制和約束使各個實時任務的執行中都能夠具有時間控制概念，而且在任務執行中也會出現最壞以及實際應用時間。其中實際執行時間指的是系統任務執行中的實際時間，而最壞運行時間指的則是在生命周期內任務執行的時間最大值，而這些數值需要通過靜態分析獲得。如果系統可以符合實時要求說明任務的截止時間比實際運行時間小。而實際任務與實時任務間的差值則為松弛時間。實時系統中通過動態電壓頻率調節技術的應用可以實現對能耗和功耗控制的作用。通過松弛時間的獲取可以實現對處理器頻率的處理。如果實際運行時間與任務截止時間相近或者偏下的情況下，不僅可以實現對執行任務功耗的控制，還能夠滿足時間的控制。

針對一個周期任務，將實時系統設置為T1、T2、T3，在執行的過程中如果根據最高執行頻率，會使系統具有松弛時間（如圖1）。通過動態電壓頻率調節技術對頻率進行降低調節中，可以利用松弛時間的填充實現對系統能耗以及功耗等方面的降低，滿足不同任務的時間控制。

圖1 動態電壓頻率調節技術在實時系統的應用示意圖

通過時間控制與約束的應用有利于促進動態電壓頻率調節技術與實時系統保持緊密的聯系，并衍生出更多的關于動態電壓頻率調節的技術形式研究內容。但是松弛時間的應用，對于處理器頻率降低仍然存在一定的問題，必須要在任務執行后才可以進行運行時間的獲取[3]。最壞運行時間主要應用于預測實際運行時間，這種預測方式缺乏精確性，還需要繼續加強潛力的挖掘。因此在這個領域的研究中需要將更多的時間應用在如何保證預測的精確性方面。

2.2 實際系統應用

圖2 PMH 與PMP 的應用圖示

動態電壓頻率調節技術在系統的實際應用中，會由于循環系統和分支系統使編譯器靜態分析中對PMP 的間隔插入無法實現等間隔。為了促進PMP 概念在實際系統的有效應用，在后續的工作中將調頻以及分析功能介入到后續操作系統中。設置編譯器靜態插入代碼，代碼設置為PMH，并對代碼的實際執行情況進行獲取。操作系統在PMP 執行中需要保證執行的定時性，PMP 與PMH 間會出現交互機制對松弛時間進行獲取，從而實現調頻的作用[4]。操作系統通過定時機制的應用可以實現對松弛時間間隔處理的均等性，符合調頻需要。這個階段的代碼插入需要在兩次PMP 之間進行執行，同時必須要融入一次PMH 的執行，實現對PMP數據的收集。

3 結語

綜上所述，計算機應用中會造成大量的能耗，但是這些能耗并非全部用于計算機正在執行的功能中，也就是出現部分能耗浪費的情況。針對這個問題可以利用動態電壓頻率調節技術加強對能耗的降低，通過對電壓以及頻率的調整實現控能的作用。因此需要加強對動態電壓頻率調節技術的分析和研究，通過多個級別電壓/頻率的調節，實現對能耗的控制。