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基于先驗(yàn)預(yù)知的動(dòng)態(tài)電源管理技術(shù)
摘要：“動(dòng)態(tài)電源管理”是動(dòng)態(tài)地分配系統(tǒng)資源，以最少的元件或元件最小工作量的低耗能狀態(tài)完成系統(tǒng)任務(wù)的一種降低功耗的設(shè)計(jì)方法。“動(dòng)態(tài)電源管理”技術(shù)中包括使系統(tǒng)能達(dá)到有效節(jié)能的一系列方法。這些方法控制“電源管理”在系統(tǒng)元件空閑時(shí)，系統(tǒng)元件是否進(jìn)入低耗能狀態(tài)和何時(shí)進(jìn)入，本文主要介紹動(dòng)態(tài)電源管理的重要方法——預(yù)知方法。關(guān)鍵詞：動(dòng)態(tài)電源管理 靜態(tài)預(yù)知方法 動(dòng)態(tài)預(yù)知方法
引言
電子系統(tǒng)可視為是種類不同的元件集合，有些元件有著固定的性能指標(biāo)和耗能，這些元件被稱為非電源管理元件；上反，有些元件可以在不同時(shí)間工作，并且有多種耗能狀態(tài)，相應(yīng)地消耗著不同的系統(tǒng)電能，這些元件稱為可電源管理元件�？呻娫垂芾碓挠行褂贸蔀楣�(jié)省系統(tǒng)耗能，使整個(gè)系統(tǒng)在有限電能下長(zhǎng)時(shí)間工作的關(guān)鍵所在。
系統(tǒng)元件從一種耗能狀態(tài)到另一種耗能狀態(tài)往往需要一段時(shí)間，并且在這段時(shí)間內(nèi)會(huì)消耗更多的額外能量。狀態(tài)的改變會(huì)影響系統(tǒng)的性能，所以設(shè)計(jì)者需要在系統(tǒng)節(jié)能和系統(tǒng)性能之間找到恰當(dāng)?shù)恼壑郧腥朦c(diǎn)。本文介紹了動(dòng)態(tài)電源管理中的一些方法。這些方法將決定元件是否改變耗能狀態(tài)和何時(shí)改變。
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1 動(dòng)態(tài)電源管理技術(shù)
“動(dòng)態(tài)電源管理”是動(dòng)態(tài)地分配系統(tǒng)資源，以最少的元件或元件最小工作量的低耗能狀態(tài)，來完成系統(tǒng)任務(wù)的一種降低功耗的設(shè)計(jì)方法。對(duì)于電源管理實(shí)施時(shí)間的判斷，要用到多種預(yù)測(cè)方法，根據(jù)歷史的工作量預(yù)測(cè)即將到來的工作量，決定是否轉(zhuǎn)換工作狀態(tài)和何時(shí)轉(zhuǎn)換。這就是動(dòng)態(tài)電源管理技術(shù)的核心所在——?jiǎng)討B(tài)電源管理方法。
動(dòng)態(tài)電源管理技術(shù)適用的基本前提是，系統(tǒng)元件在工作時(shí)間內(nèi)有著不相同的工作量。大多數(shù)的系統(tǒng)都具有此種情況。另一個(gè)前提是，可以在一定程度上確信能夠預(yù)知系統(tǒng)、元件的工作量的波動(dòng)性。這樣才有轉(zhuǎn)換耗能狀態(tài)的可能，并且在對(duì)工作量的觀察和預(yù)知的時(shí)間內(nèi)，系統(tǒng)不可以消耗過多的能量。
2 電源管理
各個(gè)系統(tǒng)設(shè)備當(dāng)接到請(qǐng)求時(shí)，設(shè)備忙；而沒有請(qǐng)求時(shí)，就進(jìn)入了空閑狀態(tài)。設(shè)置進(jìn)入空閑時(shí)，可以關(guān)閉設(shè)備，進(jìn)入低耗能的休眠狀態(tài)；當(dāng)再次接到請(qǐng)求后，設(shè)備被喚起。這就是所謂的“電源管理”。然而，耗能狀態(tài)的改變是需要時(shí)間的，也就是關(guān)閉時(shí)延和喚起時(shí)延。喚起休眠狀態(tài)中的設(shè)備需要額外的能量開銷，如圖1所示。如果沒有這項(xiàng)開銷，也就用不著電源管理技術(shù)了，完全可以只要設(shè)備空閑就關(guān)閉設(shè)備、這種時(shí)延和能量開銷確定存在，所以必須考慮，只有當(dāng)設(shè)備在休眠狀態(tài)所節(jié)省的能量至少可以抵得上狀態(tài)轉(zhuǎn)換耗能的情況時(shí)，才可以進(jìn)入休眠狀態(tài)。
電源管理技術(shù)是一個(gè)預(yù)知性問題。應(yīng)尋求預(yù)知空閑時(shí)間是否足夠長(zhǎng)，以及于能否抵得上狀態(tài)轉(zhuǎn)換的耗能開銷。空閑時(shí)間過短時(shí)，采用電源管理的方案就得不償失了。所以事先估計(jì)出空閑時(shí)間的長(zhǎng)短是電源管理技術(shù)中的首要問題。定義“恰當(dāng)?shù)耐Ｖ箷r(shí)間段”（tBE）：能達(dá)到系統(tǒng)節(jié)能的最短空閑時(shí)間段。此時(shí)間與設(shè)備元件本身有關(guān)，與系統(tǒng)發(fā)出的請(qǐng)求無關(guān)。假設(shè)狀態(tài)轉(zhuǎn)換延時(shí)t0（包括關(guān)閉和喚起延時(shí)）耗能為E0；工作狀態(tài)功率Pw，休眠狀態(tài)功率Ps，可由以下式求出tBE。
Pw×tBE=E0+Ps×(tBE-T0)
等式左邊為“適合暫停時(shí)間段”內(nèi)的耗能，也就是系統(tǒng)在這段用于節(jié)能的最短空閑時(shí)間內(nèi)繼續(xù)工作所需能量；右邊是狀態(tài)轉(zhuǎn)換耗能和休眠時(shí)間內(nèi)的系統(tǒng)耗能。tBE換和這段休眠時(shí)間內(nèi)的系統(tǒng)耗能。電源管理技術(shù)就是要預(yù)知將要發(fā)生的休眠時(shí)間是否能夠大于tBE，只有大于它，設(shè)備才有休眠的必要。
3 基于先驗(yàn)預(yù)知的動(dòng)態(tài)電源管理技術(shù)
對(duì)于大多數(shù)真實(shí)系統(tǒng)，即將輸入的信號(hào)是難以確定的。動(dòng)態(tài)電源管理的決策是基于對(duì)未來的不確定預(yù)知的基礎(chǔ)之上的。所有的基于預(yù)知的動(dòng)態(tài)電源管理技術(shù)的基本原理是探過去工作量的歷史和即將發(fā)生的工作量之間的相互關(guān)系，來對(duì)未來事件進(jìn)行可靠的預(yù)知。對(duì)于動(dòng)態(tài)電源管理，我們關(guān)心怎樣預(yù)知足夠長(zhǎng)的空閑時(shí)間進(jìn)入休眠狀態(tài)，表達(dá)如下：
p={tIDLE>tBE}
我們稱預(yù)知空閑時(shí)間比實(shí)際的空閑時(shí)間長(zhǎng)（短）為“預(yù)知過度”（“預(yù)知不足”）。預(yù)知過度增加了對(duì)性能的影響；預(yù)知不足雖對(duì)性能無影響卻造成了能量的浪費(fèi)。要是能既無預(yù)知過度又無預(yù)知不足，那就是一個(gè)理想的預(yù)知。預(yù)知的質(zhì)量取決于對(duì)觀察樣本的選擇和對(duì)工作量的統(tǒng)計(jì)。
3.1 靜態(tài)預(yù)知方法
固定超時(shí)法：最普遍的電源管理預(yù)知法，用過去的空閑時(shí)間作為觀察校本對(duì)象來預(yù)知當(dāng)前空閑時(shí)段的總持續(xù)時(shí)間。此方法總結(jié)如下：空閑時(shí)鐘開始，計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)，超過固定超時(shí)時(shí)間tTO系統(tǒng)仍處于空閑，則電源管理使得系統(tǒng)休眠，直到接收到外界請(qǐng)求，標(biāo)志著空閑狀態(tài)的結(jié)束。能夠合理地選擇tTO顯然是這種方法的關(guān)鍵。通常在要求不高的情況下取tTO=tBE。
固定超時(shí)法優(yōu)點(diǎn)有二：①普遍適用（應(yīng)用范圍僅限決于工作量）；②增加固定超時(shí)值可以減少“過度預(yù)知”（即預(yù)知時(shí)間比實(shí)際空閑時(shí)間長(zhǎng)）的可能性。但是其缺點(diǎn)也明顯：固定超時(shí)過大則將引起預(yù)知不足，結(jié)果不能有效的節(jié)省能量，相當(dāng)多的能量浪費(fèi)在等待超時(shí)上。
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預(yù)知關(guān)閉法：此方法可以解決固定超時(shí)法中等待固定超時(shí)而耗費(fèi)過多能量的問題，即預(yù)知到系統(tǒng)的空閑可能性就立即關(guān)閉系統(tǒng)，無需等到空閑時(shí)間超過超時(shí)值。預(yù)知方法是對(duì)歷史工作量的統(tǒng)計(jì)上做的有肯定性估計(jì)。
Srivastave提出了兩種先驗(yàn)關(guān)閉的方案。
①非線性衰減方程（φ）。此方程可由過去的歷史中得到。
t的上標(biāo)表示過去空閑和工作時(shí)期的序號(hào)，n表示當(dāng)前的空閑時(shí)期（其長(zhǎng)度有待于預(yù)知估計(jì)）和最近的工作時(shí)段。此方程表明了要估計(jì)將發(fā)生的空閑時(shí)期，要考慮到過去的空閑和工作時(shí)期。
如果tpred>tBE，那么系統(tǒng)一空閑就立即關(guān)閉。觀察樣本是
此方法的局限：
*無法自主決定衰減方程的類型；
*要根據(jù)收集和分析的分散數(shù)據(jù)建立衰減模型，并且這些數(shù)據(jù)適合此衰減模型。
這些數(shù)據(jù)適合此衰減模型。
②極限方案。此方案基于一個(gè)極限。觀察樣本為緊挨著當(dāng)前空閑時(shí)期之前的工作時(shí)期，如果便認(rèn)為空閑時(shí)期比前一個(gè)工作時(shí)期長(zhǎng)，則系統(tǒng)關(guān)閉。
注意：統(tǒng)計(jì)研究表明，短時(shí)間的工作時(shí)期后是長(zhǎng)時(shí)間的空閑期；長(zhǎng)時(shí)間的工作期后是短時(shí)間的空閑期。這樣的系統(tǒng)可以用極限法，如圖2所示。而短時(shí)期的工作期后是短時(shí)期的空閑期這種情況下就不能用些極限法�？傊�，對(duì)tthr的選擇尤為重要。
預(yù)知喚起法：可以解決固定超時(shí)方法中喚起時(shí)的性能損耗。當(dāng)預(yù)知空閑時(shí)間超時(shí)后則系統(tǒng)喚起，即使此時(shí)沒有接收收到任何系統(tǒng)請(qǐng)求。使用此方法應(yīng)注意的是，如果tidle被“預(yù)知不足”，則這種方法增加了能量的消耗，但同時(shí)也減少了等待接收第一個(gè)系統(tǒng)請(qǐng)求的時(shí)間，還是在一定程度上節(jié)省了能量，提高了系統(tǒng)性能。
3.2 動(dòng)態(tài)預(yù)知方法
由于動(dòng)態(tài)電源管理方法的最優(yōu)化取決于對(duì)工作量的統(tǒng)計(jì)，當(dāng)工作量既未知又非靜態(tài)時(shí)，靜態(tài)預(yù)知方法就不是十分有效。因此，就有了動(dòng)態(tài)預(yù)知方法。對(duì)非靜態(tài)工作量有幾種動(dòng)態(tài)的預(yù)知方法。
①設(shè)定一套超時(shí)值，每個(gè)值與一個(gè)參數(shù)相關(guān)。此參數(shù)表明超時(shí)值選擇的準(zhǔn)確性。此方法是在每一個(gè)空閑時(shí)間內(nèi)，選擇這些超時(shí)值中最有效的一個(gè)值。
②此方法同樣有一些供選擇的超時(shí)值，分配給每個(gè)值一個(gè)“權(quán)”。此“權(quán)”是對(duì)過去相同要求下，采取此超時(shí)值帶來的滿意度為衡量對(duì)象抽象出的參數(shù)。實(shí)際采用的超時(shí)值是取所有被選超時(shí)值的權(quán)的平均。
③只采用一個(gè)超時(shí)值，當(dāng)選擇此超時(shí)值后會(huì)引起許多不盡如人意的“系統(tǒng)關(guān)閉”后，再適當(dāng)增加此值。當(dāng)更多的“系統(tǒng)關(guān)閉”可以被接受了，則適當(dāng)降低此值。
4 總結(jié)
動(dòng)態(tài)電源管理是降低電子系統(tǒng)耗能的有效設(shè)計(jì)方法。在電源管理系統(tǒng)中，不同元件的工作狀態(tài)要?jiǎng)討B(tài)地適應(yīng)不同程度的性能要求，只有這樣才能最小化空閑時(shí)間浪費(fèi)的能量或者無用元件浪費(fèi)的能量。
設(shè)計(jì)能在一定性能限制下做到最小耗能的電源管理方案是最有挑戰(zhàn)性的。最基于的電源管理方法可參考方案——基于先驗(yàn)預(yù)知，探索過去工作量的歷史和即將發(fā)生的工作量之間的關(guān)系，從而對(duì)限將發(fā)生的事件進(jìn)行可靠預(yù)知的方法。
動(dòng)態(tài)電源管理的應(yīng)用還是原始粗糙的，因?yàn)槠淙烤薮鬂摿θ晕幢婚_發(fā)；所接觸不同種類元件的復(fù)雜性限制了設(shè)計(jì)者只能尋求簡(jiǎn)單的解決方法。我們將繼續(xù)研究相應(yīng)的算法，以便能夠?yàn)閯?dòng)態(tài)電源管理提供正確的模型，并在模型下確定系統(tǒng)電源管理的最佳方案。
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