基于DPM和DVS的电源管理系统

杨 骏，王冠凌,周二林

（安徽工程大学 电气工程学院，安徽 芜湖 241000）

基于DPM和DVS的电源管理系统

杨 骏，王冠凌,周二林

（安徽工程大学 电气工程学院，安徽 芜湖 241000）

随着人们对低能源消耗、长周期电池寿命以及低散热性的要求，能量的利用效率成为电子系统设计中最为重要的问题之一.动态电源管理（DPM）和动态电压频率调节（或DVS）是两种广泛应用在系统功耗上的技术，本文论述一种基于DPM和DVS的电源管理方法，该方法能够减少系统环境中总的功耗，同时满足DPM中对于最小休眠时隙的要求.为了验证该方法，搭建实验平台进行测试，实验结果表明，这种方法与现有的电源管理方案相比，能够有效减少系统功耗.

电源管理；DPM；DVS；功耗

1 引言

近年来，处理器发展迅速，性能越来越高，从而导致能量消耗也随之增加，进一步降低了电池系统的供能寿命，同时带来的还有散热及能量利用率的问题.因此，低功耗设计越来越受到人们的关注.在不影响系统性能的前提下，尽可能降低系统能量消耗以及延长电池寿命，提高设备续航能力，达到节能的目的，是电子系统设计中的热点问题.

动态电压调整（DVS）和动态电源管理（DPM）技术是很多电子设计系统能量管理的基础.DVS可以减少动态CPU的能量消耗，但是却会导致系统工作的反应时间增加[1].而DPM通过将不用的设备设置为低电状态来减少能量消耗，但DPM策略对设备的休眠时间长短是有要求的.合理地将DVS和DPM结合起来已经发展为系统范围的能量管理的趋势.

文献1和文献2分析了DVS技术对系统功耗的影响以及具体实施办法；文献3提出一种改进的DPM策略，在保证系统实时性的前提下，通过合并相邻的空闲时间来减少状态转换次数，从而达到节能目的.

本文在分析以上节能策略的基础上，探讨一种结合DVS和DPM的节能策略.其中DPM用于调节外围设备在运行模式和睡眠模式之间切换，DVS动态调节CPU的电压和频率以降低功耗，但必须以保证系统的实时性为前提.该方法法将确定系统运行在最低功耗下的电压和频率.实验证明，该方法能够有效降低系统功耗，节能效率可达31%.

2 DPM和DVS技术

2.1 DPM技术

图1 节点状态之间的切换

DPM工作原理是，由于系统中的设备并非时刻处于工作状态，部分模块处在空闲状态，通过关掉这些模块或使其处于低功耗状态以节省能量消耗.在进行状态转换时不可避免地会产生能量消耗同时带来时延，因此不恰当的进行状态转化反而可能导致系统功耗增大，性能下降.

如图1示，P0为运行状态功耗，Pi表示空闲状态功耗. Pi+1表示DPM状态功耗.图中t1和t2为空闲状态，tk=t2-t1.进入空闲状态时间为τi，进入DPM状态时间为τi+1，空闲状态时间返回时间为τ'i，DPM状态返回时间为τ'i+1.

经过DPM技术节省的能量可以由下式确定：

只有当Esave,i＞0时，上式才有意义，因而存在一个最小休眠时间Tbe,由此可以得出：

由该式可知，节能存在的极限值，只有当休眠时间大于Tbe时，节能才为正值，此值与运行功耗、节能功耗以及切换状态时间关闭延迟和唤醒时间有关.换言之，节约功耗要大于切换状态带来的额外能耗，DPM技术才能节能.当然这个值，在节点中可计算好，存入内存中，作为常值调用比较，省去了计算带来的额外的能耗.

2.2 DVS技术

DVS技术工作原理是，当系统需要完成大量计算任务时，便提高处理器的电压以增加其处理速度，而当系统负荷不高或待机时，便降低CPU电压，从而节省功耗[2].

DVS技术源于以下理论公式： P=fV2

其中，P为CPU功率，f是CPU的核心频率，V为工作电压.由上式可知，降低CPU功耗，可以通过降压，也可以降频. CPU的核心频率由时钟模块确定，当CPU的负荷较轻时，时钟模块可以自动降低频率.

DVS的动态调节过程十分复杂.首先需要对系统负载状况进行分析判断，可以通过软件方法查看系统资源来实现，也可以通过硬件方法采集中断、内存等使用情况来实现.其次，通过对负载分析所得出的数据来预测下阶段的系统状况，通过对下阶段系统状况的分析计算出系统所需频率.最后依据计算出的频率来确定CPU电压，由电源管理模块在极短的时间内完成对电压的调节[3].

2.3 DVS和DPM结合策略

综合前文分析，DVS通过降低电压和频率，可以减少动态CPU的能量消耗，DPM通过调节外围设备在运行模式和睡眠模式之间切换来减少功耗[4].由此，在系统设计中，如果将二者有机结合，则会取得更好的节能效果.

在系统运行过程中，降低CPU的电压和频率来减少功耗，电压和频率越低，功耗也就越小[5].然而，这样会导致系统工作时延增大，外围设备在采用DPM策略进入休眠模式时状态转换的时间随之增加，由之前的分析可知，这时候的DPM策略可能反而会导致系统功耗升高，并不能起到节能作用.因此，在保证系统实时性的基础上，有必要找出CPU工作的合适频率和电压.

3 实验及分析

为了验证本文所述的基于DPM和DVS的电源管理方法，找出CPU工作的合适的频率和电压，搭建了一套由处理器，电源，射频模块以及上位机等相关器件组成的实验平台.

3.1 实验平台介绍

本实验中处理器采用三星公司的S3C2440A，它基于ARM920T内核，主频最高可达533MHz，一般内核电压（Vcor e）为1.2V，I／O电压（VDDIO）为3.3V，常供电压（Valive）为1.2V；同时S3C2440A还支持用于节能的动态电压缩放（DVS）特性，能够根据不同工作状态动态调整工作频率，并且根据频率调整内核工作电压，最大程度减少电源消耗.电源模块采用LP3913，它是美国国家半导体公司推出的一款功能强大的PMU，专门针对嵌入式便携设备应用，具有2路线性电源（LDO）输出和3路DC—DC Buck变换器输出，每路输出电压可动态调节.射频芯片选用挪威Chipcon公司的CC2420(2.4 GHz，支持250 kb/s数据传输率)或者是 AT86RF230. S3C2440A通过使用SPI模式与射频模块进行通信.

3.2 性能测试

通过对射频模块AT86RF230和CC2420工作在不同状态下功耗的观察验证DPM策略.AT86RF230发送模式下电流消耗为16.5mA（3dBm），接收模式为15.5mA，空闲状态下1.5mA，关断模式下为0.02uA.状态转换时间如表1所示：

表1 AT86RF230状态转换时间

CC2420在发送模式下电流消耗为17.4mA，接收模式为19.7mA，空闲状态下426uA，关断模式下仅为0.02uA.利用DPM节省功耗的同时，必须考虑到状态转换所带来的能量消耗.CC2420工作模式主要有四种：Off，Power down，Idle，Rx以及Tx.状态转换所需时间如表2所示：

表2 CC2420状态转换时间

根据公式可以计算出最小休眠时间为3.2ms.本实验中动态设定Power down时间分别为0s，0.4s，0.8s，1.2s，测出平均电流如表3所示：

表3 不同休眠时间对应的平均电流

由此可见，采用DPM策略可以大大降低设备功耗，而且在保证系统实时性的要求下，休眠时间越长，功耗越低.同理，通过对AT86RF230不同状态下的功耗及转换时间的分析也可得出此结论.接下来对DPM与DVS的结合策略进行验证.

S3C2440A支持用于节能的动态电压缩放（DVS）特性，能够根据不同工作状态动态调整工作频率，并且根据频率调整内核工作电压.S3C2440A的核心电压在400MHz下为1.3V，300MHz下为1.2V.

实验时选取五组cpu频率和电压分别为（400MHz, 1.3V）,(375MHz,1.27),(350MHz,1.25),（325MHz，1.23V），(300MHz,1.2V)，观察其功耗（包括cpu功耗、IO控制器及外围设备），绘制出下图：

图2 S3C2440A在不同频率下的系统功耗

由图可知，随着cpu频率及电压的降低，系统的功耗一开始是减少的，随后又随之上升.处于(350MHz,1.25)的时候整体功耗最小.相比与不采用节能策略，该系统节省功耗约28%.这是由于电压和频率降低使得cpu功耗减小，但过度降低却大大增加了时延，外围设备在状态转换的时候消耗了大量能量，导致系统整体功耗反而升高.

4 结束语

随着系统的复杂性增加以及处理器的发展，功耗问题越来越受人们的关注.DPM策略主要是将系统中暂时不用的外设切换为睡眠状态，从而减少能量消耗，但前提是切换过程所消耗的能量必须小于睡眠状态节省的能量；DVS是通过动态调节CPU的工作电压和频率来减少能量消耗，但电压降低会导致系统工作延时增加.本文通过对传统的节能方法进行分析，提出了一种基于DPM和DVS的节能策略.最终，本文通过实验证明了该方法具有较好的节能效果，在本实验平台下节能可达31%.

〔1〕刘昊,卜爱国.针对电压可调处理器的低功耗设计策略[J].电路与系统学报,2006,11(5):44-50.

〔2〕阮幼林,刘干.一种采用动态电压调整的实时节能调度算法[J].小型微型计算机系统,2008,29(4):694-698.

〔3〕Lee Y,Reddy K,Krishna C.Scheduling techniques for reducing leakage power in hard real-time systems[C].ECRTS,2003.

〔4〕Cao,Z.,Foo,B.,He,L.,Schaar,M.V.D.:‘Optimality and improvement of dynam ic voltage scaling algorithms for multimedia applications’,IEEE Trans.Circuits Syst.I:Reg.Pap.,2010,57, (3),pp.687–690.

〔5〕W.Y.Lee,“Energy-Saving DVFS scheduling ofmultiple periodic Real-Time tasks on multi-core processors,”in Proceedingsof the13th DS-RT,2009,pp.216-223.

TP368.1

A

1673-260X（2013）11-0013-02

安徽高校省级自然科学研究重点项目(KJ2013A042)